تفاوت بین اکسید گرافن و اکسید گرافن احیا شده

در این بخش به تفاوت گرافن اکسید و گرافن اکسید احیا شده خواهیم پرداخت:

اکسید گرافن و اکسید گرافن احیا شده از مشتقات گرافن ارزشمند هستند. اکسید گرافن و اکسید گرافن احیا شده به دلیل تفاوت در ترکیبات شیمیایی، خواص شیمیایی و ساختاری متفاوتی از خود نشان می دهند.
برجسته ترین تفاوت بین اکسید گرافن و اکسید گرافن احیا شده در هدایت الکتریکی، رفتار آبدوست، استحکام مکانیکی و پراکندگی این مواد مشاهده می شود. خواص مختلف اکسید گرافن و اکسید گرافن احیا شده در کاربردهای ذخیره انرژی، حسگرها، ابرخازن‌ها، سلول‌های خورشیدی و کاربردهای زیست پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کسید گرافن

اکسید گرافن به عنوان شکل اکسید شده گرافن در نظر گرفته می شود. سنتز GO عمدتاً با رویکرد از بالا به پایین که شامل عملیاتی بر روی مواد کربنی با اکسید کننده های قوی به دست می آید. از طریق این فرایند ها ساختار sp2 لایه‌های کربنی مختل می‌شود و چندین گروه عملکردی مختلف حاوی اکسیژن مانند گروه‌های کربوکسیل، هیدروکسیل یا اپوکسی را به دست می‌آورند.

اکسیداسیون لایه ها باعث افزایش فاصله بین سطحی ساختار می شود. پارامترهای مختلف مانند شرایط اکسیداسیون اولیه، منبع و اندازه جانبی ذرات مورد استفاده به عنوان ماده اولیه تأثیرات قوی بر ساختار GO حاصل و سطح اکسیداسیون دارند. از طریق دستکاری این پارامترها، می توان یک متغیر در ویژگی های GO به دست آورد. به خصوص سطح اکسیداسیون به شدت بر تنوع شیمیایی ورق های GO تأثیر می گذارد.

اختلال در شبکه پیوند sp2 منجر به خواص متمایز می شود. اکسید گرافن رسانایی الکتریکی پایینی از خود نشان می دهد که بسته به درجه اکسیداسیون، رفتار عایق یا نیمه رسانا ایجاد می کند. سطح ویژه ورق های GO حدود 890m2g-1 است. GO با مدول یانگ 23.4 ± 207.6 گیگا پاسکال و استحکام شکست ~ 120 مگاپاسکال استحکام مکانیکی بالایی را نشان می دهد. گروه های اپوکسی و هیدروکسی ورق های GO در صفحه پایه کربن و گروه های کربوکسی در لبه ها قرار دارند. مقادیر مختلف کربونیل، فنل، لاکتون و کینین نیز در ساختار GO مشاهده می شود.

فراوانی گروه های عاملی منجر به یک رفتار آبدوست می شود که به شدت به سطح اکسیداسیون وابسته است. ورق های GO به دلیل ماهیت باردار قوی و آب دوستی، پراکندگی خوبی از خود نشان می دهند. آنها پراکندگی های آبی پایدار را در طیف وسیعی از غلظت ها تشکیل می دهند. علاوه بر این، آنها در حلال های آلی مانند اتیلن گلیکول، دی متیل فرمامید (DMF)، n-متیل-2-پیرولیدون (NMP)، تتراهیدروفوران (THF) به دلیل پیوند هیدروژنی بین سطح و رابط حلال قابل پخش هستند.

اکسید گرافن احیا شده

کاهش اکسید گرافن به عنوان یک مسیر برای به دست آوردن رفتار گرافن مانند در نظر گرفته می شود. برای به دست آوردن ساختارهای اکسید گرافن احیا شده از روش‌های احیای شیمیایی، حرارتی یا فتوترمال استفاده می‌شود. با این حال، rGO نمی تواند به ساختار گرافن بکر برسد. حتی پس از کاهش شدید، rGO همچنان حاوی اکسیژن باقیمانده و نقص‌های ساختاری ناشی از سنتز اکسیداسیون شیمیایی GO است.

عوامل کاهنده شیمیایی که برای سنتز rGO استفاده می‌شوند، اغلب عوامل معدنی مانند NaB یا مواد آلی مانند فنیل هیدرازین هیدرات یا هیدروکسیل آمین هستند. کاهش حرارتی در یک اتمسفر بی اثر یا کاهنده در دمای بین 300 درجه سانتیگراد تا 2000 درجه سانتیگراد رخ می دهد. در نهایت، کاهش فتوترمال GO را می توان با یک پرتو لیزر مستقیم در طول موجهای زیر 390 نانومتر (انرژی > 3.2 eV) انجام داد.

مطالعات نشان می‌دهد که روش‌های احیای حرارتی در مقایسه با روش‌های احیای شیمیایی سودمند هستند. نه تنها سطح کاهش کمتری با روش‌های احیای شیمیایی حاصل می‌شود، بلکه عوامل کاهنده مورد استفاده در روش‌ها بسیار سمی هستند.

روش‌های احیای حرارتی به دلیل سطح بالای کاهش و فرآیند نسبتاً سازگار با محیط‌زیست دست برتر را دارند. نسبت کربن به اکسیژن محصول به دست آمده یک ویژگی مهم است. هر چه نسبت C/O بیشتر باشد، خواص rGO به خواص گرافن بکر نزدیک‌تر می‌شود.

فرآیند کاهش باعث تغییرات شدید در خواص ساختاری، مقاومت مکانیکی، پایداری، پراکندگی و واکنش پذیری GO می شود. این تغییرات مستقیماً با حذف ترکیبات حاوی اکسیژن در ساختار GO و بازیابی ساختار sp2 پس از فرآیند احیا مرتبط است. یکی از مهم ترین اثرات فرآیند کاهش GO افزایش رسانایی الکتریکی تا 6300Scm-1 و تحرک زیاد 320cm2 V-1 s-1 است.

مساحت سطح rGO نیز در طی فرآیند کاهش افزایش می یابد. صفحات rGO دارای استحکام مکانیکی قوی با مدول یانگ ~ 1.0TPa و مقاومت شکستگی ~ 130 گیگا پاسکال است که مشابه گرافن است. برخلاف GO، اکسید گرافن احیا شده به دلیل افزایش نسبت C/O ساختار، رفتار آبگریز پیدا می‌کند. به دلیل آبگریزی rGO، قابلیت پراکندگی این ماده نیز پس از کاهش کاهش می یابد.

علاوه بر پراکندگی، رفتار کلوئیدی rGO نیز تحت تأثیر فرآیند کاهش کاهش غلظت بحرانی انعقاد قرار می‌گیرد. حتی اگر ساختار گرافن با کاهش GO به طور کامل بازیابی نشود. اکسید گرافن کاهش‌یافته هنوز دارای خواص مفیدی مانند عملکرد قابل کنترل، هدایت الکتریکی و حرارتی بالا، در دسترس بودن مواد اولیه، فرآیند آماده‌سازی ارزان و مقیاس‌پذیر است.

اکسید گرافن در مقابل اکسید گرافن کاهش یافته

هم اکسید گرافن و هم اکسید گرافن احیا شده مشتقات ارزشمندی از گرافن هستند. با این حال، آنها تفاوت های مهمی در هر دو ویژگی ساختاری و شیمیایی خود نشان می دهند. همانطور که در قسمت های بالا ذکر شد، تفاوت اصلی بین GO و rGO نسبت C/O در ساختار آنهاست. در حالی که نسبت C/O در ساختارهای GO بسیار پایین است، در ساختارهای rGO که به تقریباً محتوای اکسیژن صفر نزدیک می شوند، به طور قابل توجهی بالاتر است.

بقیه تفاوت‌های بین مواد GO و rGO عمدتاً از این تفاوت بین نسبت‌های C/O ناشی می‌شود. مهم ترین تفاوت را هدایت الکتریکی این دو ماده می دانند. در حالی که GO رفتار عایق یا نیمه رسانا را نشان می دهد،

تفاوت در رسانایی GO و rGO امکانات کاربردی متفاوتی را برای این مواد باز می کند. تفاوت قابل توجه دیگر بین ساختارهای GO و rGO سطح ویژه است. GO سطح نسبتاً کمتری را در مقایسه با ساختار rGO نشان می دهد که تقریباً سطح بسیار بالای گرافن بکر را بازیابی می کند. مقاومت مکانیکی GO نیز کمتر از مقاومت مکانیکی ساختار rGO است. مدول یانگ GO تقریباً نیمی از rGO و گرافن است.

یکی دیگر از اثرات مهم ترکیبات حاوی اکسیژن، رفتار آبدوست ناشی از افزایش بار سطحی است. از این رو، ساختارهای GO رفتار آبدوست را نشان می دهند در حالی که rGO رفتار آبگریز را به دلیل از دست دادن ترکیبات حاوی اکسیژن نشان می دهد. تفاوت بین رفتار آبدوست / آبگریز نیز باعث ایجاد تفاوت در پراکندگی GO و rGO می شود.

اکسید گرافن پراکندگی بالایی در محیط های آبی نشان می دهد در حالی که rGO پراکندگی قابل توجهی کمتری نشان می دهد. به عنوان مثال، با کاهش محتوای اکسیژن rGO از 31٪ به 9٪، پراکندگی مواد پس از فراصوت از 8 به 2.5 میکروگرم در میلی لیتر کاهش یافت. علاوه بر این، رفتار کلوئیدی rGO از همان روند پراکندگی پیروی می کند. خواص مختلف GO و rGO هر دو کاربردهای مختلفی در جامعه علمی و صنعت پیدا کرده اند.

منبع:

https://graphene-flagship.eu/materials/graphene