Wat is grafietoxide?

Grafietoxide is een belangrijk materiaal op basis van koolstof. Het heeft veel aandacht getrokken op veel gebieden zoals energieopslag, katalyse en composietmaterialen vanwege zijn unieke structuur en eigenschappen. Een grondige studie van grafietoxide helpt technologische innovatie en vooruitgang op aanverwante gebieden te bevorderen. En het zal materialen en producten ontwikkelen met meer prestatievoordelen.

Wat is grafietoxide?

• De fysische en chemische eigenschappen van grafietoxide

Grafietoxide is een gelaagde verbinding die wordt verkregen door grafiet te oxideren.

Uit de fysische eigenschappen blijkt dat het meestal een zwart of donkerbruin vast poeder is. Door de gelaagde structuur heeft het een groot specifiek oppervlak. Dit is bevorderlijk voor de adsorptie en het laden van stoffen. Qua dichtheid is er een toename ten opzichte van het oorspronkelijke grafiet. Dit komt door de introductie van functionele groepen zoals zuurstofatomen in het oxidatieproces.

Chemisch gezien is het oppervlak van grafietoxide rijk aan zuurstofhoudende functionele groepen. Zoals hydroxyl- (-Oh), epoxy- (-O-) en carboxylgroepen (-COOH). De aanwezigheid van deze functionele groepen geeft grafietoxide een goede hydrofiliciteit. Het kan dus goed gedispergeerd worden in polaire oplosmiddelen zoals waterige oplossingen. Tegelijkertijd zorgen deze functionele groepen er ook voor dat grafietoxide een bepaalde chemische reactiviteit heeft. En ze kunnen een verscheidenheid aan chemische modificaties en functionaliseringsreacties uitvoeren. Zoals chemische binding met organische moleculen, metaalionen, enzovoort, om het toepassingsgebied verder uit te breiden. Bijvoorbeeld, door coördinatie met metaalionen kun je grafietoxide matrix composieten met katalytische eigenschappen voorbereiden. De composiet met organisch polymeer kan de mechanische eigenschappen en thermische stabiliteit van het polymeer verbeteren.

• De grafietoxideformule

Grafietoxide heeft geen vaste eenvoudige chemische formule. Dit komt omdat grafietoxide een niet-stoichiometrische verbinding is met een verscheidenheid aan zuurstofhoudende functionele groepen in zijn structuur. In het algemeen kan het ruwweg worden weergegeven met een algemene formule zoals C(x)O(y)(OH)(z), waarbij de waarden van x, y en z afhangen van factoren zoals de oxidatiegraad. De zuurstof in de grafietoxidestructuur komt voornamelijk voor in de vorm van hydroxylgroep (-OH), epoxygroep (-O-) en carboxylgroep (-COOH). Bij milde oxidatie is het zuurstofgehalte bijvoorbeeld relatief laag. Bij diepe oxidatie zal het zuurstofgehalte aanzienlijk toenemen. En het type en aantal functionele groepen zal ook veranderen. Deze veranderingen kunnen resulteren in een verschil in samenstelling, weergegeven door de chemische formule.

Het gebruik van grafietoxide

Energieopslag

In lithium-ionbatterijen kun je grafietoxide gebruiken als precursor voor negatieve elektrodematerialen. Door de gelaagde structuur en de zuurstofhoudende functionele groep kan het lithiumionen insluiten en uittreden. En de elektrochemische prestaties kunnen verder worden verbeterd door chemische modificatie. Tegelijkertijd kunnen op grafietoxide gebaseerde elektrodematerialen in supercondensatoren snel ladingen opslaan en afgeven. Dit komt door hun hoge specifieke oppervlak en goede elektrische geleidbaarheid, met een hoge specifieke capaciteit en goede cyclusstabiliteit.

Katalyse

Je kunt grafietoxide gebruiken als katalysatordrager. De zuurstofhoudende functionele groepen op het oppervlak kunnen de actieve componenten zoals metaalnanodeeltjes of metaaloxiden effectief adsorberen. Dit voorkomt dat ze samenklonteren en verbetert de dispersie en activiteit van de katalysator. Grafietoxidekatalysatoren geladen met platina nanodeeltjes vertonen bijvoorbeeld uitstekende katalytische prestaties in de zuurstofreductiereactie van brandstofcellen. Dit kan de energieomzettingsefficiëntie van brandstofcellen verbeteren. Daarnaast heeft grafietoxide zelf ook een bepaalde katalytische activiteit. In sommige organische reacties zoals veresteringsreacties en epoxidatiereacties kan grafietoxide een katalytische rol spelen.

Veld voor composietmaterialen

Het wordt gecombineerd met polymeren om hoogwaardige composietmaterialen te vormen. Door grafietoxide toe te voegen aan de polymeermatrix, zoals polyethyleen, polypropyleen, etc., kunnen de mechanische eigenschappen van het polymeer aanzienlijk worden verbeterd. Zoals treksterkte, buigsterkte en modulus. Dit komt doordat de gelaagde structuur van grafietoxide een rol kan spelen bij het versterken en taai maken van het polymeer. En de interface-interactie tussen grafietoxide en het polymeer draagt ook bij aan de overdracht van spanning. Daarnaast kan grafietoxide ook de thermische stabiliteit en barrière-eigenschappen van composietmaterialen verbeteren. Op veel gebieden, zoals de lucht- en ruimtevaart, heeft het dus een breed scala aan toepassingsmogelijkheden.

Grafietoxideprijs en de beïnvloedende factoren

De prijs van grafietoxide varieert door een aantal factoren. Over het algemeen varieert de marktprijs van enkele dollars tot tientallen dollars per kilogram. De kosten van grondstoffen zijn een van de belangrijkste factoren die de prijs beïnvloeden. De prijs van hoogwaardige natuurlijk grafietpoeder is relatief hoog. En de kosten van chemische reagentia zoals sterke oxidatiemiddelen kunnen niet worden genegeerd. Daarnaast zijn ook de complexiteit en de kosten van het prepareerproces van invloed op de prijs van grafietoxide. Het gebruik van geavanceerdere en fijnere prepareerprocessen, zoals de verbeterde Hummers-methode, kan weliswaar grafietoxideproducten van betere kwaliteit opleveren, maar vergt vaak een hogere investering in apparatuur en een hoger energieverbruik. Dit leidt tot hogere productprijzen.

De zuiverheid en kwaliteit van het product zijn ook belangrijke factoren bij het bepalen van de prijs. Grafietoxideproducten met een hoge zuiverheid, uniforme deeltjesgrootte, zuurstofhoudende functionele groepen en controleerbare verdeling zijn meestal duurder. Omdat dergelijke producten beter presteren in hoogwaardige toepassingen zoals elektronische materialen en hoogwaardige katalysatoren. En de marktvraag is relatief groot. Tegelijkertijd zal de markt vraag en aanbod ook fluctueren op de prijs van grafietoxide. Wanneer de marktvraag naar grafietoxide sterk is en het aanbod relatief ontoereikend, dan heeft de prijs de neiging om te stijgen. Anderzijds kan de prijs dalen als er een overaanbod op de markt is.

Vergelijking van grafietoxide en grafeenoxide

Structurele kenmerken

Grafietoxide behoudt de gelaagde structuurkenmerken van grafiet. Maar de afstand tussen de lagen is groter dan bij oorspronkelijk grafiet, meestal tussen 0,6-1,2 nm. Dit komt doordat tijdens het oxidatieproces zuurstofhoudende functionele groepen (zoals hydroxyl-, epoxy- en carboxylgroepen) in de tussenlaag en de rand van het grafiet worden gebracht. En de dicht opeengepakte grafietlaag wordt uit elkaar getrokken. De algehele structuur vertoont nog steeds een stapeling van meerdere lagen, het aantal lagen varieert van tientallen tot honderden lagen. En de lagen worden in stand gehouden door zwakke van der Waals krachten en de interactie tussen functionele groepen.

Grafeenoxide is meestal een enkele laag of een paar lagen (meestal minder dan 10 lagen) tweedimensionale bladstructuur, met een dikte van slechts een paar nanometer. Het is het product van grafietoxide na verdere strippingbehandeling. En de enkele laag grafeenoxide heeft een grote aspectverhouding en de grootte van het vlak kan variëren van honderden nanometers tot tientallen microns. Door deze unieke monolaagstructuur heeft het een hoger specifiek oppervlak en een significanter oppervlakte-effect dan grafietoxide.

Fysieke eigenschap

Grafietoxide ziet er meestal uit als een zwarte of donkerbruine vaste stof in poedervorm. Terwijl grafeenoxide relatief licht van kleur is door het kleine aantal lagen, vaak bruingeel of lichtbruin.

Vanuit het oogpunt van oplosbaarheid heeft grafietoxide een zekere oplosbaarheid in polaire oplosmiddelen (zoals water en alcoholen) door de aanwezigheid van meer zuurstofhoudende functionele groepen tussen de lagen. Maar de dispersie is relatief slecht en er treedt gemakkelijk agglomeratie op. Grafeenoxide vertoonde een goede dispersie in verschillende polaire oplosmiddelen en kon een stabiele colloïdale oplossing vormen. Dit komt doordat de monolaagstructuur de neiging tot agglomereren vermindert. En door de overvloedige functionele groepen op het oppervlak heeft het sterkere interacties met oplosmiddelmoleculen.

Qua elektrische eigenschappen vertonen ze allebei halfgeleidende eigenschappen door de aanwezigheid van zuurstofhoudende functionele groepen. En hun elektrische geleidbaarheid is relatief laag. Maar door de dunnere structuur en het grotere specifieke oppervlak kan grafeenoxide de elektrische eigenschappen na reductie beter herstellen en beter beheersen dan grafietoxide. Na verwijdering van enkele zuurstofhoudende functionele groepen door chemische reductie of thermische reductie kan de elektrische geleidbaarheid van grafeenoxide aanzienlijk worden verbeterd. Het benadert zelfs het niveau van oorspronkelijk grafeen, terwijl de elektrische prestaties van grafietoxide relatief beperkt zijn.

Chemisch bezit

De zuurstofhoudende functionele groepen op het oppervlak van grafietoxide en grafeenoxide zorgen voor een vergelijkbare chemische reactiviteit. Deze functionele groepen kunnen deelnemen aan verschillende chemische reacties. Zoals veresteringetherificatie, amidatie, enz. om functionele modificatie van materialen te bereiken. Door bijvoorbeeld te reageren met een organische amine, kunnen aminofunctionele groepen aan het oppervlak worden toegevoegd. Dit verbetert de oplosbaarheid van het materiaal of de compatibiliteit met andere stoffen.

Echter, omdat de monolaagstructuur van grafeenoxide de functionele groepen meer blootstelt. Het heeft vaak een hogere reactieactiviteit en reactiesnelheid in chemische reacties. In combinatie met metaalionen of metaaloxiden kan grafeenoxide sneller en gelijkmatiger reageren met de actieve componenten om een composiet te vormen met betere prestaties.

Synthese van grafietoxide en grafeenoxide

Voor de synthese van grafietoxide wordt voornamelijk de chemische oxidatiemethode gebruikt, zoals de klassieke Hummers-methode en het verbeterde proces. Met grafiet als grondstof wordt het grafiet onder invloed van sterke oxidatiemiddelen zoals geconcentreerd zwavelzuur en kaliumpermanganaat geleidelijk geoxideerd en gevormd door een reeks complexe stappen. Zoals reactie bij lage temperatuur, oxidatie bij gemiddelde temperatuur en intercalatie bij hoge temperatuur. Tijdens het bereidingsproces moeten de reactietemperatuur, de oxidatiedosering, de reactietijd en andere parameters strikt worden gecontroleerd om de kwaliteit en de prestaties van grafietoxide te garanderen.

De synthese van grafeenoxide is meestal een verdere strippingbehandeling op basis van grafietoxide. Gangbare stripmethoden zijn onder andere ultrasoon strippen, mechanisch strippen en strippen met chemische reductie. Ultrasone stripmethode is het gebruik van ultrasone cavitatie, grafietoxide in oplosmiddel dispersie en schil in een enkele laag of een paar lagen grafeenoxide. Mechanisch strippen wordt bereikt door hoge-snelheid schuifkracht of wrijving. Bij het reduceren van grafietoxide maakt de chemische reductiestripmethode gebruik van het gas dat wordt gegenereerd door het reductiemiddel of de structuurverandering in het reductieproces om het strippen van grafietoxide te bevorderen. Tegelijkertijd worden enkele zuurstofhoudende functionele groepen verwijderd om gereduceerd grafietoxide met een bepaald geleidingsvermogen te verkrijgen.

Conclusie

Als koolstofhoudend materiaal grafietoxide heeft een unieke structuur en unieke eigenschappen en vertoont veel kenmerken op het gebied van fysische en chemische eigenschappen. De bereidingsformule is relatief volwassen. Maar het moet nog steeds nauwkeurig worden gereguleerd om producten van hoge kwaliteit te verkrijgen. Het wordt veel gebruikt in energieopslag, katalyse, composietmaterialen en andere gebieden. En de prijs wordt beïnvloed door vele factoren zoals grondstoffen, proces, kwaliteit en vraag en aanbod op de markt. Vergeleken met grafeenoxide hebben beide voor- en nadelen. En het kan hun respectievelijke voordelen spelen in verschillende toepassingsscenario's.

Met de voortdurende verdieping van het materiaalwetenschappelijk onderzoek en de voortdurende vooruitgang van de technologie zal grafietoxide naar verwachting op meer gebieden worden toegepast en ontwikkeld. De prestaties van grafietoxide zullen steeds verder worden geoptimaliseerd en verbeterd, waardoor de ontwikkeling van aanverwante industrieën sterk zal worden gestimuleerd. In het toekomstige onderzoek en ontwikkeling, zal het belangrijk zijn om verder te verkennen van de nieuwe synthese methoden van grafietoxide. En diep te begrijpen van de relatie tussen de structuur en eigenschappen, uit te breiden zijn nieuwe toepassingsgebieden zijn ook belangrijk.