¿Qué es el óxido de grafito?

El óxido de grafeno es un importante material basado en el carbono. Ha atraído gran atención en muchos campos, como el almacenamiento de energía, la catálisis y los materiales compuestos, debido a su estructura y propiedades únicas. El estudio en profundidad del óxido de grafeno ayuda a promover la innovación tecnológica y el progreso en campos relacionados. Y desarrollará materiales y productos con más ventajas de rendimiento.

¿Qué es el óxido de grafito?

• Propiedades físicas y químicas del óxido de grafito

El óxido de grafito es un compuesto estratificado obtenido por oxidación del grafito.

Por sus propiedades físicas, suele ser un polvo sólido de color negro o marrón oscuro. Su estructura en capas le confiere una gran superficie específica. Esto favorece la adsorción y la carga de sustancias. En términos de densidad, se observa un aumento en comparación con el grafito original. Esto se debe a la introducción de grupos funcionales como átomos de oxígeno en el proceso de oxidación.

Desde el punto de vista químico, la superficie del óxido de grafito es rica en grupos funcionales que contienen oxígeno. Como los grupos hidroxilo (-Oh), epóxido (-O-) y carboxílico (-COOH). La presencia de estos grupos funcionales confiere al óxido de grafito una buena hidrofilia. De modo que puede dispersarse bien en disolventes polares como las soluciones acuosas. Al mismo tiempo, estos grupos funcionales también hacen que el óxido de grafeno tenga cierta reactividad química. Y pueden llevar a cabo diversas modificaciones químicas y reacciones de funcionalización. Como la unión química con moléculas orgánicas, iones metálicos, etc., para ampliar aún más su campo de aplicación. Por ejemplo, mediante la coordinación con iones metálicos, se pueden preparar compuestos de matriz de óxido de grafeno con propiedades catalíticas. El compuesto con polímero orgánico puede mejorar las propiedades mecánicas y la estabilidad térmica del polímero.

• La fórmula del óxido de grafito

El óxido de grafito no tiene una fórmula química simple fija. Esto se debe a que el óxido de grafito es un compuesto no estequiométrico con una variedad de grupos funcionales que contienen oxígeno en su estructura. En general, puede representarse mediante una fórmula general como C(x)O(y)(OH)(z), en la que los valores de x, y y z dependen de factores como el grado de oxidación. El oxígeno en la estructura del óxido de grafito se encuentra principalmente en forma de grupo hidroxilo (-OH), grupo epoxi (-O-) y grupo carboxílico (-COOH). Por ejemplo, en el caso de la oxidación suave, el contenido de oxígeno es relativamente bajo. En la oxidación profunda, la proporción de oxígeno aumentará significativamente. Y también cambiarán el tipo y el número de grupos funcionales. Estos cambios pueden dar lugar a una diferencia en la composición representada por su fórmula química.

El uso del óxido de grafito

Almacenamiento de energía

En las baterías de iones de litio, se puede utilizar óxido de grafito como precursor de materiales de electrodos negativos. Gracias a su estructura en capas y al grupo funcional que contiene oxígeno, puede proporcionar canales de incrustación y salida de iones de litio. Y su rendimiento electroquímico puede mejorarse aún más mediante modificaciones químicas. Al mismo tiempo, en términos de supercondensadores, los materiales de electrodos basados en óxido de grafeno pueden lograr un rápido almacenamiento y liberación de carga. Esto se debe a su elevada superficie específica y a su buena conductividad eléctrica, lo que les confiere una elevada capacidad específica y una buena estabilidad de ciclo.

Catálisis

Se puede utilizar óxido de grafito como portador del catalizador. Los grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie pueden adsorber eficazmente los componentes activos, como nanopartículas metálicas u óxidos metálicos. Esto evita su aglomeración y mejora la dispersión y la actividad del catalizador. Por ejemplo, los catalizadores de óxido de grafito cargados con nanopartículas de platino muestran un excelente rendimiento catalítico en la reacción de reducción de oxígeno de las pilas de combustible. Esto puede mejorar la eficiencia de conversión energética de las pilas de combustible. Además, el propio óxido de grafito también tiene cierta actividad catalítica. En algunas reacciones orgánicas, como la reacción de esterificación o la reacción de epoxidación, puede desempeñar una función catalítica.

Campo de los materiales compuestos

Se combina con polímeros para formar materiales compuestos de alto rendimiento. La adición de óxido de grafeno a la matriz polimérica, como polietileno, polipropileno, etc., puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas del polímero. Por ejemplo, la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión y el módulo. Esto se debe a que la estructura en capas del óxido de grafito puede desempeñar un papel en el fortalecimiento y endurecimiento del polímero. Y la interacción de interfaz entre él y el polímero también contribuye a la transferencia de tensión. Además, el óxido de grafito también puede mejorar la estabilidad térmica y las propiedades de barrera de los materiales compuestos. Así que en muchos campos, como el aeroespacial, tiene un amplio abanico de perspectivas de aplicación.

El precio del óxido de grafito y sus factores de influencia

El precio del óxido de grafito varía debido a diversos factores. En general, su precio de mercado oscila entre unos pocos dólares y decenas de dólares por kilogramo. Entre ellos, el coste de las materias primas es uno de los factores importantes que afectan al precio. El precio del óxido de grafito de alta calidad grafito natural en polvo es relativamente elevado. Y no se puede ignorar el coste de los reactivos químicos, como los oxidantes fuertes. Además, la complejidad y el coste del proceso de preparación también influyen en el precio del óxido de grafito. El uso de procesos de preparación más avanzados y finos, como el método Hummers mejorado, aunque permite obtener productos de óxido de grafito de mejor calidad, suele requerir una mayor inversión en equipos y un mayor consumo de energía. El resultado es un aumento del precio del producto.

La pureza y la calidad del producto también son factores clave para determinar el precio. Los productos de óxido de grafito de gran pureza, tamaño de partícula uniforme, contenido en grupos funcionales oxigenados y distribución controlable suelen ser más caros. Porque tales productos tienen un mejor rendimiento en aplicaciones de gama alta, como materiales de grado electrónico, catalizadores de alto rendimiento. Y la demanda del mercado es relativamente grande. Al mismo tiempo, la oferta y la demanda del mercado también fluctuarán en el precio del óxido de grafito. Cuando la demanda del mercado de óxido de grafito es fuerte y la oferta es relativamente insuficiente, el precio tiende a subir. En cambio, cuando la oferta del mercado es excesiva, el precio puede bajar.

Comparación entre el óxido de grafeno y el óxido de grafeno

Características estructurales

El óxido de grafito conserva las características de la estructura en capas del grafito. Pero la separación entre capas aumenta en comparación con el grafito original, generalmente entre 0,6 y 1,2 nm. Esto se debe a que durante el proceso de oxidación, los grupos funcionales que contienen oxígeno (como los grupos hidroxilo, epoxi y carboxilo, etc.) se introducen en la capa intermedia y en el borde del grafito. Y la capa de grafito compactada se estira. La estructura global sigue presentando un estado de apilamiento multicapa, el número de capas varía de docenas a cientos de capas. Y las capas se mantienen gracias a débiles fuerzas de van der Waals y a la interacción entre grupos funcionales.

El óxido de grafeno suele ser una sola capa o unas pocas capas (generalmente menos de 10 capas) de estructura de lámina bidimensional, con un grosor de sólo unos nanómetros. Es el producto del óxido de grafito tras un tratamiento posterior de decapado. Y la monocapa de óxido de grafeno tiene una gran relación de aspecto, y su tamaño plano puede oscilar entre cientos de nanómetros y decenas de micras. Esta estructura monocapa única le confiere una mayor superficie específica y un efecto superficial más significativo que el óxido de grafito.

Propiedad física

En apariencia, el óxido de grafeno es principalmente un sólido en polvo de color negro o marrón oscuro. Mientras que el óxido de grafeno es de color relativamente claro debido al pequeño número de capas, mostrándose a menudo de color amarillo parduzco o marrón claro.

Desde el punto de vista de la solubilidad, el óxido de grafito tiene cierta solubilidad en disolventes polares (como agua, alcoholes, etc.) debido a la existencia de más grupos funcionales que contienen oxígeno entre las capas. Pero la dispersión es relativamente pobre y es fácil que se produzca aglomeración. El óxido de grafeno mostró una buena dispersión en diversos disolventes polares y pudo formar una solución coloidal estable. Esto se debe a que su estructura monocapa reduce la tendencia a la aglomeración. Además, los abundantes grupos funcionales de la superficie hacen que tenga interacciones más fuertes con las moléculas de los disolventes.

En términos de propiedades eléctricas, ambos presentan propiedades semiconductoras debido a la presencia de grupos funcionales que contienen oxígeno. Y su conductividad eléctrica es relativamente baja. Sin embargo, debido a su estructura más fina y a su mayor superficie específica, el óxido de grafeno presenta un mayor grado de recuperación y controlabilidad de las propiedades eléctricas tras el tratamiento de reducción que el óxido de grafeno. Tras eliminar algunos grupos funcionales que contienen oxígeno mediante reducción química o reducción térmica, la conductividad eléctrica del óxido de grafeno puede mejorar considerablemente. Incluso se acerca al nivel del grafeno original, mientras que el rendimiento eléctrico del óxido de grafeno es relativamente limitado.

Propiedades químicas

Los grupos funcionales que contienen oxígeno en la superficie del óxido de grafito y del óxido de grafeno les confieren una reactividad química similar. Estos grupos funcionales pueden participar en diversas reacciones químicas. Por ejemplo esterificación, eterificación, amidación, etc., con el fin de lograr la modificación funcional de los materiales. Por ejemplo, al reaccionar con una amina orgánica, se pueden introducir grupos funcionales amino en su superficie. Esto mejora aún más la solubilidad del material o su compatibilidad con otras sustancias.

Sin embargo, debido a la estructura monocapa del óxido de grafeno, sus grupos funcionales están más expuestos. Suele tener una mayor actividad y velocidad de reacción en las reacciones químicas. Cuando se combina con iones metálicos u óxidos metálicos, el óxido de grafeno puede interactuar más rápida y uniformemente con los componentes activos para formar un compuesto con mejores prestaciones.

Síntesis de óxido de grafeno y óxido de grafeno

La síntesis de óxido de grafito adopta principalmente el método de oxidación química, como el método clásico de Hummers y su proceso mejorado. Con el grafito como materia prima, bajo la acción de oxidantes fuertes como el ácido sulfúrico concentrado y el permanganato potásico, el grafito se oxida gradualmente y se forma mediante una serie de pasos complejos. Como la reacción a baja temperatura, la oxidación a media temperatura y la intercalación a alta temperatura. En el proceso de preparación es necesario controlar estrictamente la temperatura de reacción, la dosificación del oxidante, el tiempo de reacción y otros parámetros para garantizar la calidad y el rendimiento del óxido de grafito.

La síntesis de óxido de grafeno suele consistir en un tratamiento posterior de decapado a partir de óxido de grafito. Entre los métodos de decapado más comunes se encuentran el decapado por ultrasonidos, el decapado mecánico y el decapado por reducción química. El método de eliminación por ultrasonidos es el uso de cavitación ultrasónica, óxido de grafito en dispersión de disolvente y pelado en una sola capa o unas pocas capas de óxido de grafeno. El decapado mecánico se consigue mediante la fuerza de cizallamiento o fricción a alta velocidad. En el proceso de reducción del óxido de grafeno, el método de decapado por reducción química utiliza el gas generado por el agente reductor o el cambio estructural en el proceso de reducción para promover el decapado del óxido de grafeno. Y al mismo tiempo realiza la eliminación de algunos grupos funcionales que contienen oxígeno para obtener óxido de grafeno reducido con cierta conductividad.

Conclusión

Como material a base de carbono Con una estructura y unas propiedades únicas, el óxido de grafito presenta muchas características en cuanto a propiedades físicas y químicas. Su fórmula de preparación está relativamente madura. Pero aún necesita una regulación fina para obtener productos de alta calidad. Se utiliza mucho en almacenamiento de energía, catálisis, materiales compuestos y otros campos. Y su precio se ve afectado por muchos factores, como las materias primas, el proceso, la calidad y la oferta y demanda del mercado. En comparación con el óxido de grafeno, ambos tienen ventajas e inconvenientes. Y pueden desempeñar sus respectivas ventajas en diferentes escenarios de aplicación.

Con la continua profundización de la investigación en ciencia de materiales y el continuo progreso de la tecnología, se espera que el óxido de grafeno se aplique y desarrolle en más campos. Y su rendimiento seguirá optimizándose y mejorándose, proporcionando un fuerte apoyo para promover el desarrollo de las industrias relacionadas. En la investigación y el desarrollo futuros, será importante seguir explorando los nuevos métodos de síntesis del óxido de grafito. Y comprender en profundidad la relación entre su estructura y sus propiedades, ampliar sus nuevos campos de aplicación también son significativos.