Óxido de grafito

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El óxido de grafito (óxido de grafeno) es un compuesto de carbono , hidrógeno y oxígeno en varias proporciones, que se forma cuando el grafito se trata con agentes oxidantes fuertes [1] . Las formas más oxidadas son sólidos amarillos con una relación C:O que oscila entre 2,1 y 2,9.

Hay muchos modelos para la estructura del óxido de grafito. Esto se debe a que es un bertólido y tiene una estructura amorfa compleja, así como a la falta de métodos analíticos para caracterizar dichos materiales.

• La estructura de Hoffman consta de grupos epoxi distribuidos en un plano y asigna la fórmula C 2 O al óxido.
• Ress propuso otra opción utilizando grupos hidroxilo. El plano basal ha cambiado de un sistema hibridado sp 2 a sp 3 . Esta fórmula fue creada como análoga a la del polímero monofluoruro de carbono..
• El modelo de Scholz-Boehm no contiene grupos epoxi.
• La estructura de Decani es una modificación de las dos anteriores.
• La estructura de Nakajima-Matsuo es análoga al polímero de monofluoruro de dicarbono.
• El último modelo de Lerf-Klinovsky se centra más en la alternativa amorfa no estequiométrica [1] .

La parte principal del óxido de grafito se utiliza para preparar un sistema disperso con álcalis para obtener láminas monomoleculares, que se denominan óxido de grafeno (por analogía con el grafeno , que es una forma de grafito de una sola capa) [2] .

Las láminas de óxido de grafeno se han utilizado para crear un material muy fuerte que se asemeja al papel, y como intermediario para obtener grafeno (a partir de 2010, esto no es posible, ya que el grafeno producido por estas reacciones aún tiene muchos defectos químicos y estructurales) [ 2 ]

Historial de descubrimientos

El óxido de grafito fue preparado por primera vez por el científico de Oxford Benjamin Brody en 1859 al tratar el grafito con una mezcla de clorato de potasio y ácido nítrico . En 1957, los científicos William Hammers y Richard Offerman encontraron un proceso más confiable, rápido y eficiente usando una mezcla de ácido sulfúrico H 2 SO 4 , nitrato de sodio NaNO 3 y permanganato de potasio KMnO 4 [3] . Este método todavía está muy extendido y todavía se usa para sintetizar óxido de grafito.

Recientemente[ ¿cuándo? ] se usó una mezcla de H 2 SO 4 y KMnO 4 para el "corte" longitudinal de nanotubos de carbono [4] , lo que resultó en la formación de cintas planas microscópicas de grafeno de varios átomos de largo, con "techos" de átomos de oxígeno o grupos hidroxilo [ 3] .

El óxido de grafito también se puede preparar por el método Tan-Lau, que utiliza glucosa . Este método es más seguro, más fácil y más respetuoso con el medio ambiente que las reacciones tradicionales que utilizan agentes oxidantes fuertes . Otra ventaja importante del método Tan-Lau es el fácil control del espesor [5] .

Estructura

La estructura y las propiedades del óxido de grafito dependen del método específico de síntesis y del grado de oxidación. Las capas generalmente se conservan, como en el grafito, pero la distancia entre ellas aumenta en un factor de dos (~0,7 nm) en comparación con el grafito. Estrictamente hablando, " óxido " es un nombre inapropiado, pero un nombre históricamente establecido. Además de los grupos epoxi, existen otros grupos funcionales establecidos experimentalmente, por ejemplo, carbonilo , hidroxilo, fenólico . Hay evidencia de "curvaturas" y agrietamiento de láminas de óxido de grafeno durante la deposición de capas sobre el sustrato. La estructura detallada aún no se comprende debido al fuerte desorden y al empaquetamiento irregular de las capas [3] .

El espesor de las capas de óxido de grafeno es de aproximadamente 1,1 ± 0,2 nm. Usando microscopía de túnel, se encontraron regiones locales donde los átomos de oxígeno están ubicados en una red constante de 0,27 nm × 0,41 nm, los bordes de cada capa están cortados por grupos carboxilo y carbonilo. La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X muestra la presencia de átomos de carbono en anillos que no contienen oxígeno (284,8 eV), CO (286,2 eV) en C=O (287,8 eV) y en OC=O (289,0 eV) [6] .

El óxido de grafito se hidrata fácilmente , lo que aumenta el espacio interplanar (hasta 1,2 nm en estado saturado). También se incluye agua adicional en la capa intermedia debido a los efectos inducidos por la alta presión [7] . El producto principal absorbe la humedad del aire circundante en proporción a la humedad. La eliminación completa del agua es muy difícil, ya que el calentamiento a 60-80 ° C conduce a la descomposición y degradación parcial del material. Al igual que el agua, el óxido de grafito también incorpora fácilmente otros disolventes polares como los alcoholes (así como DMF y N-metilpirrolidona). La separación de las capas de óxido de grafito es proporcional al tamaño de la molécula de alcohol, se insertan monocapas adicionales en la estructura a alta presión [8] .

El óxido de grafito se descompone con un calentamiento rápido a temperaturas moderadamente altas (~280–300 °C) para formar carbón amorfo finamente disperso, un poco como el carbón activado . El hollín consiste en las escamas de grafito más delgadas de 2 a 5 nm de espesor, cuyo diámetro puede alcanzar varias centésimas de milímetro, dependiendo de la naturaleza del grafito original. Dado que esto libera oxígeno unido en forma de CO y CO 2 en el óxido de grafito, es posible que aparezcan vacíos de dimensiones atómicas en la red de grafito.

Aplicación

Debido a la estructura bidimensional específica y la existencia de diferentes grupos funcionales que contienen oxígeno, el óxido de grafito tiene muchas aplicaciones en una amplia variedad de campos [2] .

Supercondensadores

El hidróxido de potasio reestructura el óxido de grafito, creando una estructura porosa tridimensional. Cada una de sus paredes tiene un espesor atómico, y la superficie del óxido de grafito "activado" alcanza los 3100 m²/g. El material también tiene una alta conductividad eléctrica . El diámetro de la mayoría de los poros en las muestras terminadas se encuentra dentro del rango de 0,6 a 5 nm. En los experimentos, un supercondensador construido con el nuevo material de electrodo mostró muy buena capacitancia gravimétrica y densidad de energía, esta última acercándose a la de las baterías de plomo-ácido. Después de 10.000 ciclos de carga/descarga, el óxido de grafito "activado" siguió funcionando al 97 % de su capacidad original.

Papel resistente

Cuando se disuelve en agua, el óxido de grafito se separa en capas de óxido de grafeno. La solución resultante se filtra a través de una membrana especial, en la que las capas se unen nuevamente, pero ya en una estructura mucho más fuerte que el grafito: el papel de grafeno. Las capas de grafito convencional están unidas muy débilmente y los enlaces se rompen con facilidad. En el papel de grafeno, por el contrario, las capas están entrelazadas, por lo que la carga se puede distribuir uniformemente por toda la estructura, haciéndola muy resistente. La forma en que las capas se entrelazan les permite moverse ligeramente entre sí, lo que hace que toda la estructura sea flexible. Más importante aún, es posible controlar químicamente las propiedades de un material dado cambiando la cantidad de oxígeno en las capas. Por ejemplo, al reducirlo, el papel dieléctrico puede convertirse en un buen conductor. También está previsto introducir varios polímeros y metales en la estructura del papel de grafeno , creando compuestos que sean superiores en sus propiedades tanto al grafeno puro como al dopante.

Investigación de ADN

La superficie grande y plana del óxido de grafeno permite que se examinen simultáneamente varias sondas de ADN marcadas con diferentes colorantes, lo que permite la detección de varios ADN diana en la misma solución. Un mayor progreso en la búsqueda de sensores basados ​​en óxido de grafeno y ADN puede conducir a la creación de sistemas económicos para el análisis rápido de ADN [9] . En medicina para el tratamiento del cáncer de cerebro, cáncer de tiroides, etc.

Notas

1. ↑ 1 2 He H., Klinowski J., Forsterb M., Lerf A. Un nuevo modelo estructural para el óxido de grafito  //  Chemical Physics Letters. - 1988. - vol. 287 , núm. 1-2 . - Pág. 53-56 . - doi : 10.1016/S0009-2614(98)00144-4 .
2. ↑ 1 2 3 Niyogi S., Bekyarova E., Itkis ME, McWilliams JL, Hamon MA, Haddon RC Solución Propiedades de grafito y grafeno  //  J. Am. química soc. - 2006. - vol. 128 , núm. 24 . - Pág. 7720-7721 . -doi : 10.1021/ ja060680r .
3. ↑ 1 2 3 Hummers Jr. WS, Offeman RE Preparación de óxido  grafítico //  J. Am. química soc. - 1958. - vol. 80 , núm. 6 _ — Pág. 1339 . -doi : 10.1021/ ja01539a017 .
4. ↑ Kosynkin DV, Higginbotham AL, Sinitskii A., Lomeda JR, Dimiev A., Price BK, Tour JM Descompresión longitudinal de nanotubos de carbono para formar nanocintas de grafeno   // Naturaleza . - 2009. - Vol. 458 , núm. 7240 . - P. 872-876 . -doi : 10.1038/ naturaleza07872 . —PMID 19370030 .
5. ↑ Tang L., Li X., Ji R., Teng KS, Tai G., Ye J., Wei C., Lau SP Síntesis ascendente de nanoláminas de óxido de grafeno a gran escala  //  J. Mater . química - 2012. - vol. 22 . - Pág. 5676-5683 . -doi : 10.1039/ C2JM15944A .
6. ↑ Stankovich S., Piner RD, Chen X., Wu N., Nguyen ST, Ruoff RS Dispersiones acuosas estables de nanoplaquetas de grafito mediante la reducción de óxido de grafito exfoliado en presencia de poli(4-estirenosulfonato de sodio  )  // J. Mater . química - 2006. - vol. 16 _ - P. 155-158 . -doi : 10.1039/ B512799H .
7. ↑ Talyzin AV, Solozhenko VL, Kurakevych OO, Szabó T., Dékány I., Kurnosov A., Dmitriev V. Expansión de red colosal inducida por presión de óxido de grafito en presencia de agua   // Angew . química En t. ed. - 2008. - Vol. 47 , núm. 43 . - Pág. 8268-8271 . - doi : 10.1002/anie.200802860 . — PMID 18814163 .
8. ↑ Talyzin AV, Sundqvist B., Szabó T., Dékány I., Dmitriev V. Inserción inducida por presión de alcoholes líquidos en la estructura de óxido de grafito  //  J. Am. química soc. - 2009. - Vol. 131 , núm. 51 . - Pág. 18445-18449 . -doi : 10.1021/ ja907492s . —PMID 19947629 .
9. ↑ He S., Song B., Li D., Zhu C., Qi W., Wen Y., Wang L., Song S., Fang H., Fan C. Una nanosonda de grafeno para detección rápida, sensible y multicolor Análisis de ADN fluorescente  (inglés)  // Materiales funcionales avanzados. - 2010. - Vol. 20 , núm. 3 . - P. 453-459 . -doi : 10.1002/ adfm.200901639 .

Enlaces

•  Se obtiene óxido de grafito 'activado' para mejorar el rendimiento de los supercondensadores . Consultado el 24 de junio de 2013. Archivado desde el original el 30 de junio de 2013.
• Papel de grafeno (enlace no disponible) . Consultado el 24 de junio de 2013. Archivado desde el original el 30 de junio de 2013. (indefinido) 

Óxidos de carbono
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