ما هو أكسيد الجرافيت؟

يُعد أكسيد الجرافيت مادة مهمة قائمة على الكربون. وقد اجتذب اهتمامًا كبيرًا في العديد من المجالات مثل تخزين الطاقة والحفز والمواد المركبة بسبب بنيته وخصائصه الفريدة. تساعد الدراسة المتعمقة لأكسيد الجرافيت على تعزيز الابتكار التكنولوجي والتقدم في المجالات ذات الصلة. وستعمل على تطوير مواد ومنتجات ذات مزايا أداء أكثر.

ما هو أكسيد الجرافيت؟

• الخواص الفيزيائية والكيميائية لأكسيد الجرافيت

أكسيد الجرافيت هو مركب طبقي يتم الحصول عليه عن طريق أكسدة الجرافيت.

من الخصائص الفيزيائية، يظهر عادةً مسحوق صلب أسود أو بني داكن. ويمنحه هيكله الطبقي مساحة سطح محددة كبيرة. وهذا يساعد على امتصاص المواد وتحميلها. من حيث الكثافة، هناك زيادة مقارنة بالجرافيت الأصلي. ويرجع ذلك إلى إدخال مجموعات وظيفية مثل ذرات الأكسجين في عملية الأكسدة.

من الناحية الكيميائية، سطح أكسيد الجرافيت غني بالمجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين. مثل مجموعات الهيدروكسيل (-Oh) والإيبوكسي (-O-) والكربوكسيل (-COOH). ويمنح وجود هذه المجموعات الوظيفية أكسيد الجرافيت قابلية جيدة للماء. بحيث يمكن تشتيته جيدًا في المذيبات القطبية مثل المحاليل المائية. وفي الوقت نفسه، فإن هذه المجموعات الوظيفية تجعل أكسيد الجرافيت يتمتع بتفاعل كيميائي معين. ويمكنها إجراء مجموعة متنوعة من التعديلات الكيميائية والتفاعلات الوظيفية. مثل الترابط الكيميائي مع الجزيئات العضوية وأيونات المعادن وما إلى ذلك، وذلك لتوسيع نطاق تطبيقه. على سبيل المثال، من خلال التنسيق مع أيونات المعادن، يمكنك تحضير مركبات مصفوفة أكسيد الجرافيت ذات الخصائص التحفيزية. يمكن للمركب مع البوليمر العضوي تحسين الخواص الميكانيكية والاستقرار الحراري للبوليمر.

• صيغة أكسيد الجرافيت

لا يحتوي أكسيد الجرافيت على صيغة كيميائية بسيطة ثابتة. ويرجع ذلك إلى أن أكسيد الجرافيت مركب غير متكافئ مع مجموعة متنوعة من المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين في تركيبته. وبوجه عام، يمكن تمثيله تقريبًا بصيغة عامة مثل C(x) O(y)(OH)(z)، حيث تعتمد قيم x وy وz على عوامل مثل درجة الأكسدة. يكون الأكسجين في بنية أكسيد الجرافيت بشكل أساسي على شكل مجموعة هيدروكسيل (-OH) ومجموعة إيبوكسي (-O-) ومجموعة كربوكسيلية (-COOH). على سبيل المثال، في حالة الأكسدة الخفيفة، يكون محتوى الأكسجين منخفضًا نسبيًا. وفي حالة الأكسدة العميقة، تزداد نسبة الأكسجين بشكل كبير. وسيتغير أيضًا نوع وعدد المجموعات الوظيفية. يمكن أن تؤدي هذه التغييرات إلى اختلاف في التركيب الذي تمثله صيغته الكيميائية.

استخدام أكسيد الجرافيت

تخزين الطاقة

في بطاريات الليثيوم أيون، يمكنك استخدام أكسيد الجرافيت كسلائف لمواد القطب السالب. ونظرًا لهيكله متعدد الطبقات والمجموعة الوظيفية المحتوية على الأكسجين، يمكن أن يوفر قنوات لتضمين أيونات الليثيوم وخروجها. ويمكن زيادة تحسين أدائها الكهروكيميائي عن طريق التعديل الكيميائي. وفي الوقت نفسه، فيما يتعلق بالمكثفات الفائقة، يمكن لمواد الأقطاب الكهربائية القائمة على أكسيد الجرافيت تحقيق تخزين سريع للشحنات وإطلاقها. ويرجع ذلك إلى مساحة سطحها النوعية العالية وموصلية كهربائية جيدة، مما يُظهر سعة نوعية عالية وثباتًا جيدًا في الدورة.

الحفز

يمكنك استخدام أكسيد الجرافيت كحامل محفز. يمكن للمجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين الموجودة على السطح أن تمتص المكونات النشطة مثل الجسيمات النانوية المعدنية أو أكاسيد المعادن بشكل فعال. وهذا يمنع تكتلها ويحسن من تشتت المحفز ونشاطه. على سبيل المثال، تُظهر محفزات أكسيد الجرافيت المحملة بجسيمات البلاتين النانوية أداءً تحفيزيًا ممتازًا في تفاعل اختزال الأكسجين في خلايا الوقود. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين كفاءة تحويل الطاقة في خلايا الوقود. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع أكسيد الجرافيت نفسه أيضًا بنشاط تحفيزي معين. في بعض التفاعلات العضوية مثل تفاعل الأسترة وتفاعل الأكسدة الإيبوكسيدية يمكن أن يلعب دورًا تحفيزيًا.

مجال المواد المركبة

يتم دمجه مع البوليمرات لتشكيل مواد مركبة عالية الأداء. يمكن أن تؤدي إضافة أكسيد الجرافيت إلى مصفوفة البوليمر، مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين وما إلى ذلك، إلى تحسين الخواص الميكانيكية للبوليمر بشكل كبير. مثل قوة الشد وقوة الانحناء والمعامل. ويرجع ذلك إلى أن البنية الطبقية لأكسيد الجرافيت يمكن أن تلعب دورًا في تقوية البوليمر وتقويته. ويساهم التفاعل البيني بينه وبين البوليمر أيضًا في نقل الإجهاد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لأكسيد الجرافيت أيضًا تحسين الاستقرار الحراري وخصائص الحاجز للمواد المركبة. لذلك في العديد من المجالات مثل الطيران، فإن له مجموعة واسعة من آفاق التطبيق.

سعر أكسيد الجرافيت والعوامل المؤثرة فيه

يختلف سعر أكسيد الجرافيت بسبب عدد من العوامل. بشكل عام، يتراوح سعره في السوق من بضعة دولارات إلى عشرات الدولارات للكيلوغرام الواحد. ومن بين هذه العوامل، تعد تكلفة المواد الخام أحد العوامل المهمة التي تؤثر على السعر. سعر المواد الخام عالية الجودة مسحوق الجرافيت الطبيعي مرتفعة نسبيًا. ولا يمكن تجاهل تكلفة الكواشف الكيميائية مثل المؤكسدات القوية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تعقيد وتكلفة عملية التحضير لها أيضًا تأثير على سعر أكسيد الجرافيت. استخدام عمليات تحضير أكثر تقدمًا ودقة، مثل طريقة هامرز المحسنة، على الرغم من أنه يمكن الحصول على منتجات أكسيد الجرافيت ذات الجودة الأفضل، إلا أنها غالبًا ما تتطلب استثمارًا أعلى في المعدات واستهلاكًا أكبر للطاقة. وينتج عن ذلك ارتفاع أسعار المنتجات.

كما أن نقاء المنتج وجودته عاملان رئيسيان في تحديد السعر. وعادةً ما تكون منتجات أكسيد الجرافيت ذات النقاء العالي، وحجم الجسيمات المنتظم، ومحتوى المجموعة الوظيفية المحتوية على الأكسجين والتوزيع الذي يمكن التحكم فيه أغلى ثمناً. لأن مثل هذه المنتجات تتمتع بأداء أفضل في التطبيقات المتطورة مثل المواد الإلكترونية والمحفزات عالية الأداء. والطلب في السوق كبير نسبيًا. في الوقت نفسه، سيتقلب العرض والطلب في السوق أيضًا على سعر أكسيد الجرافيت. عندما يكون طلب السوق على أكسيد الجرافيت قويًا، ويكون العرض غير كافٍ نسبيًا، يميل السعر إلى الارتفاع. من ناحية أخرى، عندما يكون العرض في السوق زائدًا، قد ينخفض السعر.

مقارنة بين أكسيد الجرافيت وأكسيد الجرافين

السمات الهيكلية

يحتفظ أكسيد الجرافيت بخصائص البنية الطبقية للجرافيت. لكن التباعد بين الطبقات يزداد بالمقارنة مع الجرافيت الأصلي، ويتراوح بشكل عام بين 0.6-1.2 نانومتر. وذلك لأنه أثناء عملية الأكسدة، يتم إدخال المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين (مثل مجموعات الهيدروكسيل والإيبوكسي والكربوكسيل وغيرها) في الطبقة البينية وحافة الجرافيت. وتتمدد طبقة الجرافيت المعبأة بإحكام عن بعضها البعض. لا يزال الهيكل الكلي يمثل حالة تكديس متعددة الطبقات، وعدد الطبقات تختلف من عشرات إلى مئات الطبقات. ويتم الحفاظ على الطبقات بواسطة قوى فان دير فال الضعيفة والتفاعل بين المجموعات الوظيفية.

عادةً ما يكون أكسيد الجرافين عبارة عن طبقة واحدة أو طبقات قليلة (أقل من 10 طبقات بشكل عام) من بنية صفائح ثنائية الأبعاد، لا يتجاوز سمكها بضعة نانومترات. وهو نتاج أكسيد الجرافيت بعد المعالجة الإضافية للتجريد. وتتميز الطبقة الواحدة من أكسيد الجرافين بنسبة عرض إلى ارتفاع كبيرة، ويمكن أن يتراوح حجمها المستوي من مئات النانومترات إلى عشرات الميكرونات. وتمنحه هذه البنية الفريدة أحادية الطبقة مساحة سطح محددة أعلى وتأثيرًا سطحيًا أكبر من أكسيد الجرافيت.

الممتلكات المادية

ومن حيث المظهر، يكون أكسيد الجرافيت في الغالب مسحوقًا صلبًا أسود أو بني داكن. بينما يكون أكسيد الجرافين فاتح اللون نسبيًا نظرًا لقلة عدد طبقاته، وغالبًا ما يظهر باللون الأصفر المائل إلى البني أو البني الفاتح.

ومن منظور قابلية الذوبان، يتمتع أكسيد الجرافيت بقابلية ذوبان معينة في المذيبات القطبية (مثل الماء والكحوليات وغيرها) بسبب وجود المزيد من المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين بين الطبقات. لكن التشتت ضعيف نسبيًا ومن السهل حدوث التكتل. وأظهر أكسيد الجرافين تشتتًا جيدًا في مجموعة متنوعة من المذيبات القطبية ويمكن أن يشكل محلولًا غروانيًا مستقرًا. وذلك لأن بنيته أحادية الطبقة تقلل من الميل إلى التكتل. كما أن المجموعات الوظيفية الوفيرة على السطح تجعله يتمتع بتفاعلات أقوى مع جزيئات المذيب.

ومن حيث الخواص الكهربائية، يظهر كلاهما خصائص أشباه الموصلات بسبب وجود مجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين. وتوصيلهما الكهربائي منخفض نسبيًا. ومع ذلك، نظرًا لهيكله الأقل سمكًا ومساحة سطحه المحددة الأكبر، يتمتع أكسيد الجرافين بدرجة أفضل من أكسيد الجرافيت في استعادة الخواص الكهربائية والتحكم فيها بعد المعالجة بالاختزال مقارنةً بأكسيد الجرافيت. بعد إزالة بعض المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين عن طريق الاختزال الكيميائي أو الاختزال الحراري، يمكن تحسين الموصلية الكهربائية لأكسيد الجرافين بشكل كبير. حتى أنه يقترب من مستوى الجرافين الأصلي، في حين أن الأداء الكهربائي لأكسيد الجرافيت محدود نسبيًا.

خاصية كيميائية

وتمنح المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين على سطح أكسيد الجرافيت وأكسيد الجرافين تفاعلية كيميائية مماثلة. يمكن أن تشارك هذه المجموعات الوظيفية في مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية. مثل الأسترةأو الأثيرية أو الأثيرية أو الأميدية، إلخ، وذلك لتحقيق التعديل الوظيفي للمواد. على سبيل المثال، من خلال التفاعل مع أمين عضوي، يمكن إدخال مجموعات وظيفية أمينية على سطحه. وهذا يزيد من تحسين قابلية ذوبان المادة أو توافقها مع المواد الأخرى.

ومع ذلك، لأن بنية الطبقة الأحادية لأكسيد الجرافين تجعل مجموعاته الوظيفية مكشوفة بشكل كامل. وغالبًا ما يكون له نشاط تفاعلي ومعدل تفاعل أعلى في التفاعلات الكيميائية. وعند دمجه مع أيونات المعادن أو أكاسيد المعادن، يمكن لأكسيد الجرافين أن يتفاعل بسرعة أكبر وتجانس أكبر مع المكونات النشطة لتشكيل مركب بأداء أفضل.

تخليق أكسيد الجرافيت وأكسيد الجرافين

يعتمد تخليق أكسيد الجرافيت بشكل أساسي على طريقة الأكسدة الكيميائية، مثل طريقة هامرز الكلاسيكية وعمليتها المحسنة. مع الجرافيت كمادة خام، تحت تأثير المؤكسدات القوية مثل حمض الكبريتيك المركز وبرمنجنات البوتاسيوم، يتأكسد الجرافيت تدريجياً ويتشكل من خلال سلسلة من الخطوات المعقدة. مثل تفاعل درجات الحرارة المنخفضة والأكسدة في درجات الحرارة المتوسطة والإقحام في درجات الحرارة العالية. تحتاج عملية التحضير إلى التحكم الصارم في درجة حرارة التفاعل، وجرعة المؤكسد، ووقت التفاعل وغيرها من المعلمات لضمان جودة وأداء أكسيد الجرافيت.

عادةً ما يكون تخليق أكسيد الجرافين عبارة عن معالجة تجريد إضافية على أساس أكسيد الجرافيت. وتشمل طرق التجريد الشائعة التجريد بالموجات فوق الصوتية والتجريد الميكانيكي والتجريد بالاختزال الكيميائي. طريقة التجريد بالموجات فوق الصوتية هي استخدام التجويف بالموجات فوق الصوتية وأكسيد الجرافيت في تشتت المذيبات وتقشيرها إلى طبقة واحدة أو بضع طبقات من أكسيد الجرافين. يتم تحقيق التجريد الميكانيكي عن طريق قوة القص أو الاحتكاك عالي السرعة. في عملية اختزال أكسيد الجرافيت، تستخدم طريقة التجريد بالاختزال الكيميائي الغاز الناتج عن عامل الاختزال أو التغيير الهيكلي في عملية الاختزال لتعزيز تجريد أكسيد الجرافيت. وفي الوقت نفسه تحقق إزالة بعض المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين للحصول على أكسيد الجرافين المختزل مع توصيلية معينة.

الخاتمة

بصفتك المواد ذات الأساس الكربوني مع بنية وخصائص فريدة من نوعها، يُظهر أكسيد الجرافيت العديد من الخصائص في الخصائص الفيزيائية والكيميائية. صيغة تحضيره ناضجة نسبيًا. لكنه لا يزال يحتاج إلى تنظيم دقيق للحصول على منتجات عالية الجودة. ويستخدم على نطاق واسع في تخزين الطاقة والحفز والمواد المركبة وغيرها من المجالات. ويتأثر سعره بالعديد من العوامل مثل المواد الخام والعملية والجودة والعرض والطلب في السوق. وبالمقارنة مع أكسيد الجرافين، لكل منهما مزايا وعيوب. ويمكن أن يلعب كل منهما مزاياه في سيناريوهات التطبيق المختلفة.

مع التعميق المستمر لأبحاث علوم المواد والتقدم المستمر للتكنولوجيا، من المتوقع أن يتم تطبيق أكسيد الجرافيت وتطويره في المزيد من المجالات. وسيستمر تحسين أدائه وتحسينه، مما يوفر دعمًا قويًا لتعزيز تطوير الصناعات ذات الصلة. في البحث والتطوير المستقبلي، سيكون من المهم مواصلة استكشاف طرق التوليف الجديدة لأكسيد الجرافيت. وفهم العلاقة بين هيكله وخصائصه بعمق، وتوسيع مجالات تطبيقه الجديدة مهمة أيضًا.