Τι είναι το οξείδιο του γραφίτη;

Το οξείδιο του γραφίτη είναι ένα σημαντικό υλικό με βάση τον άνθρακα. Έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή σε πολλούς τομείς, όπως η αποθήκευση ενέργειας, η κατάλυση και τα σύνθετα υλικά, λόγω της μοναδικής δομής και των ιδιοτήτων του. Η σε βάθος μελέτη του οξειδίου του γραφίτη συμβάλλει στην προώθηση της τεχνολογικής καινοτομίας και της προόδου σε συναφείς τομείς. Και θα αναπτύξει υλικά και προϊόντα με περισσότερα πλεονεκτήματα απόδοσης.

Τι είναι το οξείδιο του γραφίτη;

• Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες του οξειδίου του γραφίτη

Το οξείδιο του γραφίτη είναι μια στρωματοποιημένη ένωση που λαμβάνεται με οξείδωση του γραφίτη.

Από τις φυσικές ιδιότητες, εμφανίζεται συνήθως μαύρη ή σκούρα καφέ στερεή σκόνη. Η στρωματοποιημένη δομή του του προσδίδει μεγάλη ειδική επιφάνεια. Αυτό ευνοεί την προσρόφηση και τη φόρτωση ουσιών. Όσον αφορά την πυκνότητα, παρατηρείται αύξηση σε σχέση με τον αρχικό γραφίτη. Αυτό οφείλεται στην εισαγωγή λειτουργικών ομάδων όπως τα άτομα οξυγόνου κατά τη διαδικασία οξείδωσης.

Από χημική άποψη, η επιφάνεια του οξειδίου του γραφίτη είναι πλούσια σε λειτουργικές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο. Όπως οι ομάδες υδροξυλίου (-Oh), εποξυ (-O-) και καρβοξυλικές (-COOH). Η παρουσία αυτών των λειτουργικών ομάδων προσδίδει στο οξείδιο του γραφίτη καλή υδροφιλικότητα. Έτσι ώστε να μπορεί να διασκορπιστεί καλά σε πολικούς διαλύτες, όπως υδατικά διαλύματα. Ταυτόχρονα, αυτές οι λειτουργικές ομάδες καθιστούν επίσης το οξείδιο του γραφίτη να έχει ορισμένη χημική αντιδραστικότητα. Και μπορούν να πραγματοποιήσουν ποικίλες χημικές τροποποιήσεις και αντιδράσεις λειτουργικοποίησης. Όπως χημικός δεσμός με οργανικά μόρια, μεταλλικά ιόντα κ.λπ., έτσι ώστε να διευρυνθεί περαιτέρω το φάσμα των εφαρμογών του. Για παράδειγμα, μέσω συντονισμού με μεταλλικά ιόντα, μπορείτε να παρασκευάσετε σύνθετα υλικά μήτρας οξειδίου του γραφίτη με καταλυτικές ιδιότητες. Το σύνθετο με οργανικό πολυμερές μπορεί να βελτιώσει τις μηχανικές ιδιότητες και τη θερμική σταθερότητα του πολυμερούς.

• Ο τύπος του οξειδίου του γραφίτη

Το οξείδιο του γραφίτη δεν έχει σταθερό απλό χημικό τύπο. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το οξείδιο του γραφίτη είναι μια μη στοιχειομετρική ένωση με μια ποικιλία λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο στη δομή της. Γενικά, μπορεί να αναπαρασταθεί κατά προσέγγιση με έναν γενικό τύπο όπως C(x)O(y)(OH)(z), όπου οι τιμές των x, y και z εξαρτώνται από παράγοντες όπως ο βαθμός οξείδωσης. Το οξυγόνο στη δομή του οξειδίου του γραφίτη είναι κυρίως υπό μορφή υδροξυλομάδας (-ΟΗ), εποξειδικής ομάδας (-Ο-) και καρβοξυλικής ομάδας (-COOH). Για παράδειγμα, στην περίπτωση ήπιας οξείδωσης, η περιεκτικότητα σε οξυγόνο είναι σχετικά χαμηλή. Στη βαθιά οξείδωση, το ποσοστό του οξυγόνου θα αυξηθεί σημαντικά. Και ο τύπος και ο αριθμός των λειτουργικών ομάδων θα αλλάξει επίσης. Αυτές οι αλλαγές μπορούν να οδηγήσουν σε διαφορά στη σύνθεση που αντιπροσωπεύεται από τον χημικό του τύπο.

Η χρήση του οξειδίου του γραφίτη

Αποθήκευση ενέργειας

Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το οξείδιο του γραφίτη ως πρόδρομη ουσία για τα αρνητικά υλικά ηλεκτροδίων. Λόγω της στρωματοειδούς δομής του και της λειτουργικής ομάδας που περιέχει οξυγόνο, μπορεί να παρέχει κανάλια ενσωμάτωσης και εξόδου ιόντων λιθίου. Και η ηλεκτροχημική του απόδοση μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με χημική τροποποίηση. Ταυτόχρονα, όσον αφορά τους υπερπυκνωτές, τα υλικά ηλεκτροδίων με βάση το οξείδιο του γραφίτη μπορούν να επιτύχουν ταχεία αποθήκευση και απελευθέρωση φορτίου. Αυτό οφείλεται στην υψηλή ειδική τους επιφάνεια και την καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, παρουσιάζοντας υψηλή ειδική χωρητικότητα και καλή σταθερότητα κύκλου.

Κατάλυση

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οξείδιο του γραφίτη ως φορέα καταλύτη. Οι λειτουργικές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο στην επιφάνεια μπορούν να προσροφήσουν αποτελεσματικά τα ενεργά συστατικά, όπως νανοσωματίδια μετάλλων ή οξείδια μετάλλων. Αυτό αποτρέπει τη συσσωμάτωσή τους και βελτιώνει τη διασπορά και τη δραστικότητα του καταλύτη. Για παράδειγμα, καταλύτες οξειδίου του γραφίτη φορτωμένοι με νανοσωματίδια πλατίνας παρουσιάζουν εξαιρετική καταλυτική απόδοση στην αντίδραση αναγωγής οξυγόνου των κυψελών καυσίμου. Αυτό μπορεί να βελτιώσει την απόδοση μετατροπής ενέργειας των κυψελών καυσίμου. Επιπλέον, το ίδιο το οξείδιο του γραφίτη έχει επίσης μια ορισμένη καταλυτική δραστηριότητα. Σε ορισμένες οργανικές αντιδράσεις, όπως η αντίδραση εστεροποίησης, η αντίδραση εποξείδωσης μπορεί να διαδραματίσει καταλυτικό ρόλο.

Τομέας σύνθετων υλικών

Συνδυάζεται με πολυμερή για τη δημιουργία σύνθετων υλικών υψηλής απόδοσης. Η προσθήκη οξειδίου του γραφίτη στη μήτρα πολυμερούς, όπως το πολυαιθυλένιο, το πολυπροπυλένιο κ.λπ., μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες του πολυμερούς. Όπως η αντοχή σε εφελκυσμό, η αντοχή σε κάμψη και το μέτρο ελαστικότητας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η στρωματοποιημένη δομή του οξειδίου του γραφίτη μπορεί να διαδραματίσει ρόλο στην ενίσχυση και σκληραγώγηση του πολυμερούς. Και η αλληλεπίδραση της διεπιφάνειας μεταξύ αυτού και του πολυμερούς συμβάλλει επίσης στη μεταφορά τάσεων. Επιπλέον, το οξείδιο του γραφίτη μπορεί επίσης να βελτιώσει τη θερμική σταθερότητα και τις ιδιότητες φραγμού των σύνθετων υλικών. Έτσι, σε πολλούς τομείς, όπως η αεροδιαστημική, έχει ένα ευρύ φάσμα προοπτικών εφαρμογής.

Η τιμή του οξειδίου του γραφίτη και οι παράγοντες που την επηρεάζουν

Η τιμή του οξειδίου του γραφίτη ποικίλλει λόγω διαφόρων παραγόντων. Σε γενικές γραμμές, η τιμή του στην αγορά κυμαίνεται από μερικά δολάρια έως δεκάδες δολάρια ανά χιλιόγραμμο. Μεταξύ αυτών, το κόστος των πρώτων υλών είναι ένας από τους σημαντικούς παράγοντες που επηρεάζουν την τιμή. Η τιμή των υψηλής ποιότητας φυσική σκόνη γραφίτη είναι σχετικά υψηλή. Και το κόστος των χημικών αντιδραστηρίων, όπως τα ισχυρά οξειδωτικά, δεν μπορεί να αγνοηθεί. Επιπλέον, η πολυπλοκότητα και το κόστος της διαδικασίας παρασκευής επηρεάζουν επίσης την τιμή του οξειδίου του γραφίτη. Η χρήση πιο προηγμένων και λεπτών διαδικασιών παρασκευής, όπως η βελτιωμένη μέθοδος Hummers, αν και μπορούν να ληφθούν προϊόντα οξειδίου του γραφίτη καλύτερης ποιότητας, συχνά απαιτούν υψηλότερες επενδύσεις σε εξοπλισμό και μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερες τιμές προϊόντων.

Η καθαρότητα και η ποιότητα του προϊόντος είναι επίσης βασικοί παράγοντες για τον καθορισμό της τιμής. Τα προϊόντα οξειδίου του γραφίτη με υψηλή καθαρότητα, ομοιόμορφο μέγεθος σωματιδίων, περιεκτικότητα σε λειτουργικές ομάδες οξυγόνου και ελεγχόμενη κατανομή είναι συνήθως ακριβότερα. Επειδή τα προϊόντα αυτά έχουν καλύτερες επιδόσεις σε εφαρμογές υψηλού επιπέδου, όπως υλικά ηλεκτρονικής ποιότητας, καταλύτες υψηλής απόδοσης. Και η ζήτηση στην αγορά είναι σχετικά μεγάλη. Ταυτόχρονα, η προσφορά και η ζήτηση στην αγορά θα αυξομειώνονται επίσης στην τιμή του οξειδίου του γραφίτη. Όταν η ζήτηση στην αγορά για οξείδιο του γραφίτη είναι ισχυρή και η προσφορά είναι σχετικά ανεπαρκής, η τιμή τείνει να αυξηθεί. Από την άλλη πλευρά, όταν η αγορά έχει υπερπροσφορά, η τιμή μπορεί να πέσει.

Σύγκριση του οξειδίου του γραφίτη και του οξειδίου του γραφενίου

Δομικά χαρακτηριστικά

Το οξείδιο του γραφίτη διατηρεί τα χαρακτηριστικά της στρωματοειδούς δομής του γραφίτη. Αλλά η απόσταση των στρωμάτων είναι αυξημένη σε σύγκριση με τον αρχικό γραφίτη, γενικά μεταξύ 0,6-1,2 nm. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας οξείδωσης, λειτουργικές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο (όπως ομάδες υδροξυλίου, εποξυλίου και καρβοξυλίου κ.λπ.) εισάγονται στο ενδιάμεσο στρώμα και στην άκρη του γραφίτη. Και το σφιχτά πακεταρισμένο στρώμα γραφίτη τεντώνεται. Η συνολική δομή εξακολουθεί να παρουσιάζει μια κατάσταση στοίβαξης πολλαπλών στρωμάτων, ο αριθμός των στρώματα ποικίλλει από δεκάδες έως εκατοντάδες στρώματα. Και τα στρώματα διατηρούνται από ασθενείς δυνάμεις van der Waals και την αλληλεπίδραση μεταξύ λειτουργικών ομάδων.

Το οξείδιο του γραφενίου είναι συνήθως ένα μόνο στρώμα ή μερικά στρώματα (γενικά λιγότερα από 10 στρώματα) δισδιάστατης δομής φύλλου, με πάχος μόλις μερικά νανόμετρα. Είναι το προϊόν του οξειδίου του γραφίτη μετά από περαιτέρω επεξεργασία απογύμνωσης. Και το ενιαίο στρώμα οξειδίου του γραφενίου έχει μεγάλο λόγο διαστάσεων και το μέγεθος του επιπέδου του μπορεί να κυμαίνεται από εκατοντάδες νανόμετρα έως δεκάδες μικρόμετρα. Αυτή η μοναδική μονοστρωματική δομή του προσδίδει μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια και πιο σημαντική επιφανειακή επίδραση από το οξείδιο του γραφίτη.

Φυσική ιδιότητα

Στην εμφάνιση, το οξείδιο του γραφίτη είναι ως επί το πλείστον μια μαύρη ή σκούρα καφέ σκόνη στερεού. Ενώ το οξείδιο του γραφενίου είναι σχετικά ανοιχτόχρωμο λόγω του μικρού αριθμού στρωμάτων, παρουσιάζοντας συχνά καφεκίτρινο ή ανοιχτό καφέ χρώμα.

Από την άποψη της διαλυτότητας, το οξείδιο του γραφίτη έχει ορισμένη διαλυτότητα σε πολικούς διαλύτες (όπως το νερό, οι αλκοόλες κ.λπ.) λόγω της ύπαρξης περισσότερων λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο μεταξύ των στρωμάτων. Όμως η διασπορά είναι σχετικά φτωχή και η συσσωμάτωση είναι εύκολο να συμβεί. Το οξείδιο του γραφενίου παρουσίασε καλή διασπορά σε διάφορους πολικούς διαλύτες και μπορούσε να σχηματίσει ένα σταθερό κολλοειδές διάλυμα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μονοστρωματική δομή του μειώνει την τάση συσσωμάτωσης. Και οι άφθονες λειτουργικές ομάδες στην επιφάνεια το κάνουν να έχει ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις με τα μόρια του διαλύτη.

Όσον αφορά τις ηλεκτρικές ιδιότητες, και οι δύο παρουσιάζουν ιδιότητες ημιαγωγού λόγω της παρουσίας λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο. Και η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα είναι σχετικά χαμηλή. Ωστόσο, λόγω της λεπτότερης δομής του και της μεγαλύτερης ειδικής επιφάνειας, το οξείδιο του γραφενίου έχει καλύτερο βαθμό ανάκτησης και δυνατότητα ελέγχου των ηλεκτρικών ιδιοτήτων μετά από αναγωγική επεξεργασία από ό,τι το οξείδιο του γραφίτη. Μετά την αφαίρεση ορισμένων λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο με χημική αναγωγή ή θερμική αναγωγή, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του οξειδίου του γραφενίου μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά. Ακόμα και αυτό κοντά στο επίπεδο του αρχικού γραφενίου, ενώ η ηλεκτρική απόδοση του οξειδίου του γραφίτη είναι σχετικά περιορισμένη.

Χημική ιδιότητα

Οι λειτουργικές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο στην επιφάνεια του οξειδίου του γραφίτη και του οξειδίου του γραφενίου τους προσδίδουν παρόμοια χημική αντιδραστικότητα. Αυτές οι λειτουργικές ομάδες μπορούν να συμμετέχουν σε μια ποικιλία χημικών αντιδράσεων. Όπως εστεροποίηση, αιθεροποίηση, αμιδίωση κ.λπ., ώστε να επιτευχθεί λειτουργική τροποποίηση των υλικών. Για παράδειγμα, αντιδρώντας με μια οργανική αμίνη, μπορούν να εισαχθούν αμινολειτουργικές ομάδες στην επιφάνειά του. Αυτό βελτιώνει περαιτέρω τη διαλυτότητα του υλικού ή τη συμβατότητά του με άλλες ουσίες.

Ωστόσο, επειδή η μονοστρωματική δομή του οξειδίου του γραφενίου καθιστά τις λειτουργικές του ομάδες πιο πλήρως εκτεθειμένες. Συχνά έχει υψηλότερη δραστικότητα αντίδρασης και ρυθμό αντίδρασης σε χημικές αντιδράσεις. Όταν συνδυάζεται με ιόντα μετάλλων ή οξείδια μετάλλων, το οξείδιο του γραφενίου μπορεί να αλληλεπιδράσει πιο γρήγορα και πιο ομοιόμορφα με τα ενεργά συστατικά για να σχηματίσει ένα σύνθετο με καλύτερες επιδόσεις.

Σύνθεση οξειδίου του γραφίτη και οξειδίου του γραφενίου

Η σύνθεση του οξειδίου του γραφίτη υιοθετεί κυρίως τη μέθοδο της χημικής οξείδωσης, όπως η κλασική μέθοδος Hummers και η βελτιωμένη διαδικασία. Με πρώτη ύλη το γραφίτη, υπό τη δράση ισχυρών οξειδωτικών όπως το πυκνό θειικό οξύ και το υπερμαγγανικό κάλιο, ο γραφίτης οξειδώνεται σταδιακά και σχηματίζεται με μια σειρά πολύπλοκων βημάτων. Όπως η αντίδραση χαμηλής θερμοκρασίας, η οξείδωση μέσης θερμοκρασίας και η παρεμβολή υψηλής θερμοκρασίας. Η διαδικασία παρασκευής πρέπει να ελέγχει αυστηρά τη θερμοκρασία αντίδρασης, τη δοσολογία του οξειδωτικού, το χρόνο αντίδρασης και άλλες παραμέτρους για να διασφαλιστεί η ποιότητα και η απόδοση του οξειδίου του γραφίτη.

Η σύνθεση του οξειδίου του γραφενίου είναι συνήθως μια περαιτέρω επεξεργασία απογύμνωσης με βάση το οξείδιο του γραφίτη. Οι συνήθεις μέθοδοι απογύμνωσης περιλαμβάνουν την απογύμνωση με υπερήχους, τη μηχανική απογύμνωση και τη χημική απογύμνωση με αναγωγή. Η μέθοδος απογύμνωσης με υπερήχους είναι η χρήση σπηλαίωσης με υπερήχους, το οξείδιο του γραφίτη σε διασπορά διαλύτη και αποκόλληση σε ένα ενιαίο στρώμα ή μερικά στρώματα οξειδίου του γραφενίου. Η μηχανική απογύμνωση επιτυγχάνεται με διατμητική δύναμη υψηλής ταχύτητας ή τριβή. Κατά τη διαδικασία αναγωγής του οξειδίου του γραφίτη, η μέθοδος απογύμνωσης με χημική αναγωγή χρησιμοποιεί το αέριο που παράγεται από τον αναγωγικό παράγοντα ή τη δομική αλλαγή κατά τη διαδικασία αναγωγής για την προώθηση της απογύμνωσης του οξειδίου του γραφίτη. Και ταυτόχρονα πραγματοποιεί την απομάκρυνση ορισμένων λειτουργικών ομάδων που περιέχουν οξυγόνο για να αποκτήσει μειωμένο οξείδιο του γραφενίου με ορισμένη αγωγιμότητα.

Συμπέρασμα

Ως υλικό με βάση τον άνθρακα με μοναδική δομή και ιδιότητες, το οξείδιο του γραφίτη παρουσιάζει πολλά χαρακτηριστικά στις φυσικές και χημικές ιδιότητες. Ο τύπος παρασκευής του είναι σχετικά ώριμος. Χρειάζεται όμως ακόμη λεπτομερή ρύθμιση για την απόκτηση προϊόντων υψηλής ποιότητας. Χρησιμοποιείται ευρέως στην αποθήκευση ενέργειας, την κατάλυση, τα σύνθετα υλικά και άλλους τομείς. Και η τιμή του επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως οι πρώτες ύλες, η διαδικασία, η ποιότητα και η προσφορά και η ζήτηση στην αγορά. Σε σύγκριση με το οξείδιο του γραφενίου, και τα δύο έχουν πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Και μπορεί να παίξει τα αντίστοιχα πλεονεκτήματά τους σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογής.

Με τη συνεχή εμβάθυνση της έρευνας στην επιστήμη των υλικών και τη συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας, το οξείδιο του γραφίτη αναμένεται να εφαρμοστεί και να αναπτυχθεί σε περισσότερους τομείς. Και οι επιδόσεις του θα συνεχίσουν να βελτιστοποιούνται και να βελτιώνονται, παρέχοντας ισχυρή υποστήριξη για την προώθηση της ανάπτυξης των σχετικών βιομηχανιών. Στη μελλοντική έρευνα και ανάπτυξη, θα είναι σημαντική η περαιτέρω διερεύνηση των νέων μεθόδων σύνθεσης του οξειδίου του γραφίτη. Και η βαθιά κατανόηση της σχέσης μεταξύ της δομής και των ιδιοτήτων του, η επέκταση των νέων πεδίων εφαρμογής του είναι επίσης σημαντική.