Che cos'è l'ossido di grafite?

L'ossido di grafite è un importante materiale a base di carbonio. Ha attirato grande attenzione in molti campi come l'accumulo di energia, la catalisi e i materiali compositi grazie alla sua struttura e alle sue proprietà uniche. Lo studio approfondito dell'ossido di grafite contribuisce a promuovere l'innovazione tecnologica e il progresso nei settori correlati. E svilupperà materiali e prodotti con maggiori vantaggi in termini di prestazioni.

Che cos'è l'ossido di grafite?

• Le proprietà fisiche e chimiche dell'ossido di grafite

L'ossido di grafite è un composto stratificato ottenuto dall'ossidazione della grafite.

Dalle proprietà fisiche, appare di solito come una polvere solida di colore nero o marrone scuro. La sua struttura stratificata le conferisce un'ampia superficie specifica. Ciò favorisce l'adsorbimento e il caricamento di sostanze. In termini di densità, si registra un aumento rispetto alla grafite originale. Ciò è dovuto all'introduzione di gruppi funzionali come gli atomi di ossigeno nel processo di ossidazione.

Dal punto di vista chimico, la superficie dell'ossido di grafite è ricca di gruppi funzionali contenenti ossigeno. Come i gruppi idrossilici (-Oh), epossidici (-O-) e carbossilici (-COOH). La presenza di questi gruppi funzionali conferisce all'ossido di grafite una buona idrofilia. In questo modo può essere ben disperso in solventi polari come le soluzioni acquose. Allo stesso tempo, questi gruppi funzionali conferiscono all'ossido di grafite una certa reattività chimica. E possono effettuare una serie di modifiche chimiche e reazioni di funzionalizzazione. Come il legame chimico con molecole organiche, ioni metallici, ecc. in modo da ampliare ulteriormente il suo campo di applicazione. Ad esempio, attraverso la coordinazione con ioni metallici, è possibile preparare compositi a matrice di ossido di grafite con proprietà catalitiche. Il composito con polimero organico può migliorare le proprietà meccaniche e la stabilità termica del polimero.

• La formula dell'ossido di grafite

L'ossido di grafite non ha una formula chimica fissa e semplice. Questo perché l'ossido di grafite è un composto non stechiometrico con una varietà di gruppi funzionali contenenti ossigeno nella sua struttura. In generale, può essere approssimativamente rappresentato da una formula generale come C(x)O(y)(OH)(z), dove i valori di x, y e z dipendono da fattori come il grado di ossidazione. L'ossigeno nella struttura dell'ossido di grafite è principalmente sotto forma di gruppo idrossile (-OH), gruppo epossidico (-O-) e gruppo carbossilico (-COOH). Ad esempio, nel caso di un'ossidazione lieve, il contenuto di ossigeno è relativamente basso. Nell'ossidazione profonda, la percentuale di ossigeno aumenta notevolmente. Cambiano anche il tipo e il numero di gruppi funzionali. Questi cambiamenti possono determinare una differenza nella composizione rappresentata dalla sua formula chimica.

L'uso dell'ossido di grafite

Accumulo di energia

Nelle batterie agli ioni di litio, è possibile utilizzare l'ossido di grafite come precursore per i materiali degli elettrodi negativi. Grazie alla sua struttura stratificata e al gruppo funzionale contenente ossigeno, può fornire canali di incorporazione e di uscita degli ioni di litio. Le sue prestazioni elettrochimiche possono essere ulteriormente migliorate mediante modifica chimica. Allo stesso tempo, in termini di supercondensatori, i materiali elettrodici a base di ossido di grafite possono ottenere un rapido accumulo e rilascio di carica. Ciò è dovuto alla loro elevata area superficiale specifica e alla buona conducibilità elettrica, che mostra un'elevata capacità specifica e una buona stabilità di ciclo.

Catalisi

È possibile utilizzare l'ossido di grafite come vettore catalitico. I gruppi funzionali contenenti ossigeno sulla superficie possono adsorbire efficacemente i componenti attivi, come le nanoparticelle di metallo o gli ossidi di metallo. Ciò impedisce la loro agglomerazione e migliora la dispersione e l'attività del catalizzatore. Ad esempio, i catalizzatori di ossido di grafite caricati con nanoparticelle di platino mostrano eccellenti prestazioni catalitiche nella reazione di riduzione dell'ossigeno delle celle a combustibile. Ciò può migliorare l'efficienza di conversione energetica delle celle a combustibile. Inoltre, anche l'ossido di grafite ha una certa attività catalitica. In alcune reazioni organiche, come la reazione di esterificazione e la reazione di epossidazione, può svolgere un ruolo catalitico.

Campo dei materiali compositi

Viene combinato con i polimeri per formare materiali compositi ad alte prestazioni. L'aggiunta di ossido di grafite alla matrice polimerica, come polietilene, polipropilene, ecc. può migliorare significativamente le proprietà meccaniche del polimero. Come la resistenza alla trazione, alla flessione e il modulo. Questo perché la struttura stratificata dell'ossido di grafite può svolgere un ruolo di rafforzamento e irrobustimento del polimero. Inoltre, l'interazione dell'interfaccia con il polimero contribuisce al trasferimento delle sollecitazioni. Inoltre, l'ossido di grafite può anche migliorare la stabilità termica e le proprietà barriera dei materiali compositi. Pertanto, in molti campi come quello aerospaziale, ha un'ampia gamma di prospettive di applicazione.

Il prezzo dell'ossido di grafite e i suoi fattori di influenza

Il prezzo dell'ossido di grafite varia in base a diversi fattori. In generale, il suo prezzo di mercato varia da pochi dollari a decine di dollari al chilogrammo. Tra questi, il costo delle materie prime è uno dei fattori più importanti che incidono sul prezzo. Il prezzo dell'alta qualità grafite naturale in polvere è relativamente alto. Inoltre, non si può ignorare il costo dei reagenti chimici, come i forti ossidanti. Inoltre, anche la complessità e il costo del processo di preparazione hanno un impatto sul prezzo dell'ossido di grafite. L'utilizzo di processi di preparazione più avanzati e raffinati, come il metodo Hummers migliorato, sebbene permetta di ottenere prodotti di ossido di grafite di migliore qualità, spesso richiede un investimento in attrezzature più elevato e un maggiore consumo energetico. Ne consegue un aumento dei prezzi dei prodotti.

Anche la purezza e la qualità del prodotto sono fattori chiave nel determinare il prezzo. I prodotti di ossido di grafite con elevata purezza, dimensione uniforme delle particelle, contenuto di gruppi funzionali contenenti ossigeno e distribuzione controllabile sono solitamente più costosi. Perché questi prodotti hanno prestazioni migliori nelle applicazioni di fascia alta, come i materiali per l'elettronica e i catalizzatori ad alte prestazioni. E la domanda di mercato è relativamente elevata. Allo stesso tempo, la domanda e l'offerta del mercato fluttuano anche sul prezzo dell'ossido di grafite. Quando la domanda di mercato di ossido di grafite è forte e l'offerta è relativamente insufficiente, il prezzo tende a salire. D'altra parte, quando il mercato è sovraccarico di offerta, il prezzo può diminuire.

Confronto tra ossido di grafite e ossido di grafene

Caratteristiche strutturali

L'ossido di grafite conserva le caratteristiche della struttura a strati della grafite. Tuttavia, la distanza tra gli strati è aumentata rispetto alla grafite originale, generalmente tra 0,6-1,2 nm. Questo perché durante il processo di ossidazione, i gruppi funzionali contenenti ossigeno (come gruppi idrossilici, epossidici e carbossilici, ecc.) vengono introdotti negli interstrati e nei bordi della grafite. E lo strato di grafite, strettamente impacchettato, si distende. La struttura complessiva presenta ancora uno stato di impilamento multistrato, con un numero di strati varia da decine a centinaia di strati. Gli strati sono mantenuti da deboli forze di van der Waals e dall'interazione tra gruppi funzionali.

L'ossido di grafene è di solito un singolo strato o pochi strati (generalmente meno di 10 strati) di struttura a fogli bidimensionali, con uno spessore di pochi nanometri. È il prodotto dell'ossido di grafite dopo un ulteriore trattamento di stripping. Il singolo strato di ossido di grafene ha un grande rapporto d'aspetto e le dimensioni del suo piano possono variare da centinaia di nanometri a decine di micron. Questa struttura monostrato unica gli conferisce una superficie specifica più elevata e un effetto superficiale più significativo rispetto all'ossido di grafite.

Proprietà fisica

L'ossido di grafite si presenta come un solido in polvere di colore nero o marrone scuro. Mentre l'ossido di grafene ha un colore relativamente chiaro a causa del numero ridotto di strati, spesso di colore giallo bruno o marrone chiaro.

Dal punto di vista della solubilità, l'ossido di grafite ha una certa solubilità nei solventi polari (come acqua, alcoli, ecc.) grazie all'esistenza di più gruppi funzionali contenenti ossigeno tra gli strati. Tuttavia, la dispersione è relativamente scarsa ed è facile che si verifichino agglomerazioni. L'ossido di grafene ha mostrato una buona dispersione in una varietà di solventi polari e ha potuto formare una soluzione colloidale stabile. Questo perché la sua struttura monostrato riduce la tendenza all'agglomerazione. Inoltre, l'abbondanza di gruppi funzionali sulla superficie rende più forti le interazioni con le molecole del solvente.

In termini di proprietà elettriche, entrambi presentano proprietà semiconduttrici dovute alla presenza di gruppi funzionali contenenti ossigeno. La loro conducibilità elettrica è relativamente bassa. Tuttavia, grazie alla sua struttura più sottile e alla maggiore area superficiale specifica, l'ossido di grafene presenta un miglior grado di recupero e controllabilità delle proprietà elettriche dopo il trattamento di riduzione rispetto all'ossido di grafite. Dopo la rimozione di alcuni gruppi funzionali contenenti ossigeno mediante riduzione chimica o termica, la conducibilità elettrica dell'ossido di grafene può essere notevolmente migliorata. Si avvicina addirittura al livello del grafene originale, mentre le prestazioni elettriche dell'ossido di grafite sono relativamente limitate.

Proprietà chimica

I gruppi funzionali contenenti ossigeno sulla superficie dell'ossido di grafite e dell'ossido di grafene conferiscono loro una reattività chimica simile. Questi gruppi funzionali possono partecipare a diverse reazioni chimiche. Come ad esempio esterificazioneeterizzazione, amidazione, ecc. in modo da ottenere una modifica funzionale dei materiali. Ad esempio, reagendo con un'ammina organica, è possibile introdurre gruppi funzionali amminici sulla superficie del materiale. Questo migliora ulteriormente la solubilità del materiale o la sua compatibilità con altre sostanze.

Tuttavia, la struttura monostrato dell'ossido di grafene rende i suoi gruppi funzionali più esposti. Spesso presenta un'attività di reazione e una velocità di reazione più elevate nelle reazioni chimiche. Se combinato con ioni metallici o ossidi metallici, l'ossido di grafene può interagire più rapidamente e in modo più uniforme con i componenti attivi per formare un composito con prestazioni migliori.

Sintesi di ossido di grafite e ossido di grafene

La sintesi dell'ossido di grafite adotta principalmente il metodo di ossidazione chimica, come il classico metodo Hummers e il suo processo migliorato. Con la grafite come materia prima, sotto l'azione di forti ossidanti come l'acido solforico concentrato e il permanganato di potassio, la grafite viene gradualmente ossidata e formata da una serie di passaggi complessi. Come la reazione a bassa temperatura, l'ossidazione a media temperatura e l'intercalazione ad alta temperatura. Il processo di preparazione deve controllare rigorosamente la temperatura di reazione, il dosaggio dell'ossidante, il tempo di reazione e altri parametri per garantire la qualità e le prestazioni dell'ossido di grafite.

La sintesi dell'ossido di grafene è solitamente un ulteriore trattamento di stripping sulla base dell'ossido di grafite. I metodi di strippaggio più comuni includono lo strippaggio a ultrasuoni, lo strippaggio meccanico e lo strippaggio con riduzione chimica. Il metodo di stripping a ultrasuoni consiste nell'uso della cavitazione a ultrasuoni, nella dispersione di ossido di grafite in solvente e nella formazione di un singolo strato o di alcuni strati di ossido di grafene. Lo stripping meccanico si ottiene mediante forza di taglio o attrito ad alta velocità. Nel processo di riduzione dell'ossido di grafite, il metodo di stripping a riduzione chimica utilizza il gas generato dall'agente riducente o il cambiamento strutturale nel processo di riduzione per promuovere lo stripping dell'ossido di grafite. E allo stesso tempo realizza la rimozione di alcuni gruppi funzionali contenenti ossigeno per ottenere ossido di grafene ridotto con una certa conduttività.

Conclusione

Come materiale a base di carbonio Con una struttura e proprietà uniche, l'ossido di grafite presenta molte caratteristiche fisiche e chimiche. La sua formula di preparazione è relativamente matura. Ma ha ancora bisogno di una regolazione fine per ottenere prodotti di alta qualità. È ampiamente utilizzato nell'accumulo di energia, nella catalisi, nei materiali compositi e in altri campi. Il suo prezzo è influenzato da molti fattori, come le materie prime, il processo, la qualità e la domanda e l'offerta del mercato. Rispetto all'ossido di grafene, entrambi presentano vantaggi e svantaggi. E possono giocare i rispettivi vantaggi in diversi scenari applicativi.

Con il continuo approfondimento della ricerca sulla scienza dei materiali e il costante progresso della tecnologia, si prevede che l'ossido di grafite sarà applicato e sviluppato in più campi. Le sue prestazioni continueranno a essere ottimizzate e migliorate, fornendo un forte sostegno alla promozione dello sviluppo delle industrie correlate. Nella ricerca e nello sviluppo futuri, sarà importante esplorare ulteriormente i nuovi metodi di sintesi dell'ossido di grafite. E comprendere a fondo la relazione tra la sua struttura e le sue proprietà, espandendo i suoi nuovi campi di applicazione.