Apa itu grafit oksida?

Grafit oksida adalah bahan berbasis karbon yang penting. Material ini telah menarik perhatian besar di berbagai bidang seperti penyimpanan energi, katalisis, dan material komposit karena struktur dan sifatnya yang unik. Studi mendalam tentang grafit oksida membantu mendorong inovasi teknologi dan kemajuan di bidang terkait. Dan itu akan mengembangkan bahan dan produk dengan lebih banyak keunggulan kinerja.

Apa itu grafit oksida?

• Sifat fisik dan kimia dari grafit oksida

Grafit oksida adalah senyawa berlapis yang diperoleh dengan mengoksidasi grafit.

Dari sifat fisiknya, biasanya tampak seperti bubuk padat berwarna hitam atau coklat tua. Strukturnya yang berlapis-lapis memberikan luas permukaan spesifik yang besar. Hal ini kondusif untuk adsorpsi dan pemuatan zat. Dari segi densitas, terjadi peningkatan dibandingkan dengan grafit asli. Hal ini disebabkan oleh masuknya gugus fungsi seperti atom oksigen dalam proses oksidasi.

Secara kimiawi, permukaan grafit oksida kaya akan gugus fungsi yang mengandung oksigen. Seperti gugus hidroksil (-Oh), epoksi (-O-) dan karboksilat (-COOH). Kehadiran gugus fungsi ini memberikan grafit oksida hidrofilisitas yang baik. Sehingga dapat terdispersi dengan baik dalam pelarut polar seperti larutan air. Pada saat yang sama, gugus fungsi ini juga membuat grafit oksida memiliki reaktivitas kimia tertentu. Dan mereka dapat melakukan berbagai modifikasi kimia dan reaksi fungsionalisasi. Seperti ikatan kimia dengan molekul organik, ion logam, dll., Untuk lebih memperluas jangkauan aplikasinya. Misalnya, melalui koordinasi dengan ion logam, Anda dapat membuat komposit matriks grafit oksida dengan sifat katalitik. Komposit dengan polimer organik dapat meningkatkan sifat mekanik dan stabilitas termal polimer.

• Rumus grafit oksida

Grafit oksida tidak memiliki rumus kimia sederhana yang tetap. Hal ini karena grafit oksida adalah senyawa non-stoikiometri dengan berbagai gugus fungsi yang mengandung oksigen dalam strukturnya. Secara umum, secara kasar dapat diwakili oleh rumus umum seperti C (x) O (y) (OH) (z), di mana nilai x, y, dan z bergantung pada faktor-faktor seperti tingkat oksidasi. Oksigen dalam struktur grafit oksida terutama dalam bentuk gugus hidroksil (-OH), gugus epoksi (-O-) dan gugus karboksilat (-COOH). Contohnya, pada kasus oksidasi ringan, kandungan oksigen relatif rendah. Pada oksidasi dalam, proporsi oksigen akan meningkat secara signifikan. Dan jenis serta jumlah gugus fungsional juga akan berubah. Perubahan ini dapat menghasilkan perbedaan dalam komposisi yang diwakili oleh rumus kimianya.

Penggunaan grafit oksida

Penyimpanan energi

Pada baterai lithium-ion, Anda dapat menggunakan grafit oksida sebagai prekursor untuk bahan elektroda negatif. Karena strukturnya yang berlapis dan gugus fungsi yang mengandung oksigen, ia dapat menyediakan saluran penyematan dan keluarnya ion litium. Dan kinerja elektrokimianya dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan modifikasi kimia. Pada saat yang sama, dalam hal superkapasitor, bahan elektroda berbasis grafit oksida dapat mencapai penyimpanan dan pelepasan muatan yang cepat. Hal ini disebabkan oleh luas permukaan spesifik yang tinggi dan konduktivitas listrik yang baik, yang menunjukkan kapasitansi spesifik yang tinggi dan stabilitas siklus yang baik.

Katalisis

Anda dapat menggunakan grafit oksida sebagai pembawa katalis. Gugus fungsi yang mengandung oksigen pada permukaan dapat secara efektif menyerap komponen aktif seperti nanopartikel logam atau oksida logam. Hal ini mencegah penggumpalannya, dan meningkatkan dispersi dan aktivitas katalis. Sebagai contoh, katalis grafit oksida yang dimuat dengan nanopartikel platinum menunjukkan kinerja katalitik yang sangat baik dalam reaksi reduksi oksigen pada sel bahan bakar. Hal ini dapat meningkatkan efisiensi konversi energi sel bahan bakar. Selain itu, grafit oksida sendiri juga memiliki aktivitas katalitik tertentu. Dalam beberapa reaksi organik seperti reaksi esterifikasi, reaksi epoksidasi dapat memainkan peran katalitik.

Bidang material komposit

Ini dikombinasikan dengan polimer untuk membentuk material komposit berkinerja tinggi. Menambahkan grafit oksida ke matriks polimer, seperti polietilena, polipropilena, dll., secara signifikan dapat meningkatkan sifat mekanik polimer. Seperti kekuatan tarik, kekuatan lentur dan modulus. Ini karena struktur berlapis grafit oksida dapat berperan dalam memperkuat dan mengeraskan polimer. Dan interaksi antarmuka antara itu dan polimer juga berkontribusi pada transfer tegangan. Selain itu, grafit oksida juga dapat meningkatkan stabilitas termal dan sifat penghalang material komposit. Jadi di banyak bidang seperti kedirgantaraan, ia memiliki berbagai prospek aplikasi.

Harga grafit oksida dan faktor-faktor yang mempengaruhinya

Harga grafit oksida bervariasi karena sejumlah faktor. Secara umum, harga pasarnya berkisar dari beberapa dolar hingga puluhan dolar per kilogram. Di antaranya, biaya bahan baku merupakan salah satu faktor penting yang memengaruhi harga. Harga berkualitas tinggi bubuk grafit alami relatif tinggi. Dan biaya reagen kimia seperti oksidan kuat tidak dapat diabaikan. Selain itu, kompleksitas dan biaya proses persiapan juga berdampak pada harga grafit oksida. Penggunaan proses persiapan yang lebih canggih dan halus, seperti metode Hummers yang ditingkatkan, meskipun produk grafit oksida dengan kualitas yang lebih baik dapat diperoleh, seringkali membutuhkan investasi peralatan yang lebih tinggi dan konsumsi energi yang lebih banyak. Hal ini menghasilkan harga produk yang lebih tinggi.

Kemurnian dan kualitas produk juga merupakan faktor kunci dalam menentukan harga. Produk grafit oksida dengan kemurnian tinggi, ukuran partikel yang seragam, kandungan gugus fungsi yang mengandung oksigen, dan distribusi yang terkendali biasanya lebih mahal. Karena produk tersebut memiliki kinerja yang lebih baik dalam aplikasi kelas atas seperti bahan kelas elektronik, katalis berkinerja tinggi. Dan permintaan pasar relatif besar. Pada saat yang sama, penawaran dan permintaan pasar juga akan berfluktuasi pada harga grafit oksida. Ketika permintaan pasar untuk grafit oksida kuat, dan pasokan relatif tidak mencukupi, harga cenderung naik. Di sisi lain, ketika pasar kelebihan pasokan, harga bisa turun.

Perbandingan grafit oksida dan grafena oksida

Fitur struktural

Grafit oksida mempertahankan karakteristik struktur berlapis grafit. Tetapi, jarak antar lapisan ditingkatkan dibandingkan dengan grafit asli, umumnya antara 0,6-1,2nm. Hal ini karena selama proses oksidasi, gugus fungsi yang mengandung oksigen (seperti gugus hidroksil, epoksi dan karboksil, dll.) dimasukkan ke dalam lapisan dan tepi grafit. Dan lapisan grafit yang rapat, direnggangkan. Struktur keseluruhan masih menyajikan keadaan penumpukan multi-layer, jumlah lapisan bervariasi dari puluhan hingga ratusan lapisan. Dan lapisan-lapisan tersebut dipertahankan oleh gaya van der Waals yang lemah dan interaksi antar gugus fungsi.

Grafena oksida biasanya berupa satu lapisan atau beberapa lapisan (umumnya kurang dari 10 lapisan) dari struktur lembaran dua dimensi, dengan ketebalan hanya beberapa nanometer. Ini adalah produk dari grafit oksida setelah perlakuan pengupasan lebih lanjut. Dan lapisan tunggal grafena oksida memiliki rasio aspek yang bagus, dan ukuran bidangnya dapat berkisar dari ratusan nanometer hingga puluhan mikron. Struktur monolayer yang unik ini memberikan luas permukaan spesifik yang lebih tinggi dan efek permukaan yang lebih signifikan daripada grafit oksida.

Properti fisik

Secara tampilan, grafit oksida sebagian besar berupa bubuk padat berwarna hitam atau coklat tua. Sementara graphene oxide relatif berwarna terang karena jumlah lapisan yang sedikit, sering kali menunjukkan warna kuning kecoklatan atau coklat muda.

Dari perspektif kelarutan, grafit oksida memiliki kelarutan tertentu dalam pelarut polar (seperti air, alkohol, dll.) karena adanya lebih banyak gugus fungsi yang mengandung oksigen di antara lapisan. Tetapi dispersinya relatif buruk dan aglomerasi mudah terjadi. Graphene oxide menunjukkan dispersi yang baik dalam berbagai pelarut polar dan dapat membentuk larutan koloid yang stabil. Hal ini karena struktur monolayernya mengurangi kecenderungan untuk menggumpal. Dan gugus fungsi yang melimpah di permukaan membuatnya memiliki interaksi yang lebih kuat dengan molekul pelarut.

Dari segi sifat listrik, keduanya menunjukkan sifat semikonduktor karena adanya gugus fungsi yang mengandung oksigen. Dan konduktivitas listriknya relatif rendah. Namun, karena strukturnya yang lebih tipis dan luas permukaan spesifik yang lebih besar, grafena oksida memiliki tingkat pemulihan dan pengendalian sifat listrik yang lebih baik setelah perlakuan reduksi daripada grafit oksida. Setelah menghilangkan beberapa gugus fungsi yang mengandung oksigen dengan reduksi kimia atau reduksi termal, konduktivitas listrik graphene oxide dapat ditingkatkan secara signifikan. Bahkan mendekati tingkat graphene asli, sedangkan kinerja listrik grafit oksida relatif terbatas.

Properti kimia

Gugus fungsi yang mengandung oksigen pada permukaan grafit oksida dan grafena oksida memberikan reaktivitas kimiawi yang serupa. Gugus fungsi ini dapat berpartisipasi dalam berbagai reaksi kimia. Seperti esterifikasieterifikasi, amidasi, amidasi, dll., untuk mencapai modifikasi fungsional bahan. Misalnya, dengan bereaksi dengan amina organik, gugus fungsi amino dapat diperkenalkan pada permukaannya. Hal ini semakin meningkatkan kelarutan bahan atau kompatibilitasnya dengan zat lain.

Namun, karena struktur monolayer graphene oxide membuat gugus fungsinya lebih terekspos secara penuh. Hal ini sering kali memiliki aktivitas reaksi dan laju reaksi yang lebih tinggi dalam reaksi kimia. Ketika dikombinasikan dengan ion logam atau oksida logam, graphene oksida dapat berinteraksi lebih cepat dan lebih seragam dengan komponen aktif untuk membentuk komposit dengan kinerja yang lebih baik.

Sintesis grafit oksida dan grafena oksida

Sintesis grafit oksida terutama mengadopsi metode oksidasi kimia, seperti metode Hummers klasik dan prosesnya yang telah disempurnakan. Dengan grafit sebagai bahan baku, di bawah aksi oksidan kuat seperti asam sulfat pekat dan kalium permanganat, grafit secara bertahap dioksidasi dan dibentuk oleh serangkaian langkah kompleks. Seperti reaksi suhu rendah, oksidasi suhu sedang dan interkalasi suhu tinggi. Proses persiapan perlu secara ketat mengontrol suhu reaksi, dosis pengoksidasi, waktu reaksi, dan parameter lainnya untuk memastikan kualitas dan kinerja grafit oksida.

Sintesis grafena oksida biasanya merupakan perlakuan pengupasan lebih lanjut berdasarkan grafit oksida. Metode pengupasan yang umum termasuk pengupasan ultrasonik, pengupasan mekanis, dan pengupasan reduksi kimia. Metode pengupasan ultrasonik adalah penggunaan kavitasi ultrasonik, grafit oksida dalam dispersi pelarut dan mengelupas menjadi satu lapisan atau beberapa lapisan grafena oksida. Pengupasan mekanis dicapai dengan gaya geser atau gesekan berkecepatan tinggi. Dalam proses reduksi grafit oksida, metode pengupasan reduksi kimiawi menggunakan gas yang dihasilkan oleh zat pereduksi atau perubahan struktur dalam proses reduksi untuk mendorong pengupasan grafit oksida. Dan pada saat yang sama menyadari penghilangan beberapa gugus fungsi yang mengandung oksigen untuk mendapatkan grafena oksida tereduksi dengan konduktivitas tertentu.

Kesimpulan

Sebagai bahan berbasis karbon Dengan struktur dan sifat yang unik, grafit oksida menunjukkan banyak karakteristik dalam sifat fisik dan kimia. Formula pembuatannya relatif matang. Namun masih perlu pengaturan yang baik untuk mendapatkan produk berkualitas tinggi. Ini banyak digunakan dalam penyimpanan energi, katalisis, bahan komposit dan bidang lainnya. Dan harganya dipengaruhi oleh banyak faktor seperti bahan baku, proses, kualitas, serta penawaran dan permintaan pasar. Dibandingkan dengan graphene oxide, keduanya memiliki kelebihan dan kekurangan. Dan itu dapat memainkan keunggulan masing-masing dalam skenario aplikasi yang berbeda.

Dengan pendalaman penelitian ilmu material yang terus menerus dan kemajuan teknologi yang berkelanjutan, grafit oksida diharapkan dapat diterapkan dan dikembangkan di lebih banyak bidang. Dan kinerjanya akan terus dioptimalkan dan ditingkatkan, memberikan dukungan yang kuat untuk mendorong perkembangan industri terkait. Dalam penelitian dan pengembangan di masa depan, penting untuk mengeksplorasi lebih lanjut metode sintesis baru grafit oksida. Dan sangat memahami hubungan antara struktur dan propertinya, memperluas bidang aplikasi barunya juga signifikan.