O que é óxido de grafite?

O óxido de grafite é um importante material à base de carbono. Ele tem atraído grande atenção em muitos campos, como armazenamento de energia, catálise e materiais compostos, devido à sua estrutura e propriedades exclusivas. O estudo aprofundado do óxido de grafite ajuda a promover a inovação tecnológica e o progresso em campos relacionados. E desenvolverá materiais e produtos com mais vantagens de desempenho.

O que é óxido de grafite?

• As propriedades físicas e químicas do óxido de grafite

O óxido de grafite é um composto em camadas obtido pela oxidação do grafite.

Em relação às propriedades físicas, ele geralmente é um pó sólido preto ou marrom escuro. Sua estrutura em camadas lhe confere uma grande área de superfície específica. Isso favorece a adsorção e o carregamento de substâncias. Em termos de densidade, há um aumento em comparação com o grafite original. Isso se deve à introdução de grupos funcionais, como átomos de oxigênio, no processo de oxidação.

Quimicamente falando, a superfície do óxido de grafite é rica em grupos funcionais que contêm oxigênio. Como os grupos hidroxila (-Oh), epóxi (-O-) e carboxílico (-COOH). A presença desses grupos funcionais confere ao óxido de grafite uma boa hidrofilicidade. Assim, ele pode ser bem disperso em solventes polares, como soluções aquosas. Ao mesmo tempo, esses grupos funcionais também fazem com que o óxido de grafite tenha certa reatividade química. E eles podem realizar uma variedade de modificações químicas e reações de funcionalização. Como a ligação química com moléculas orgânicas, íons metálicos, etc., de modo a expandir ainda mais sua gama de aplicações. Por exemplo, por meio da coordenação com íons metálicos, é possível preparar compostos de matriz de óxido de grafite com propriedades catalíticas. O composto com polímero orgânico pode melhorar as propriedades mecânicas e a estabilidade térmica do polímero.

• A fórmula do óxido de grafite

O óxido de grafite não tem uma fórmula química simples e fixa. Isso ocorre porque o óxido de grafite é um composto não estequiométrico com uma variedade de grupos funcionais contendo oxigênio em sua estrutura. Em geral, ele pode ser representado por uma fórmula geral, como C(x)O(y)(OH)(z), em que os valores de x, y e z dependem de fatores como o grau de oxidação. O oxigênio na estrutura do óxido de grafite está principalmente na forma de grupo hidroxila (-OH), grupo epóxi (-O-) e grupo carboxílico (-COOH). Por exemplo, no caso de oxidação leve, o teor de oxigênio é relativamente baixo. Na oxidação profunda, a proporção de oxigênio aumentará significativamente. E o tipo e o número de grupos funcionais também mudarão. Essas alterações podem resultar em uma diferença na composição representada por sua fórmula química.

O uso de óxido de grafite

Armazenamento de energia

Nas baterias de íons de lítio, é possível usar o óxido de grafite como precursor de materiais de eletrodos negativos. Devido à sua estrutura em camadas e ao grupo funcional que contém oxigênio, ele pode fornecer canais de incorporação e saída de íons de lítio. E seu desempenho eletroquímico pode ser aprimorado ainda mais por meio de modificações químicas. Ao mesmo tempo, em termos de supercapacitores, os materiais de eletrodo à base de óxido de grafite podem armazenar e liberar cargas rapidamente. Isso se deve à sua alta área de superfície específica e à boa condutividade elétrica, mostrando alta capacitância específica e boa estabilidade de ciclo.

Catálise

Você pode usar o óxido de grafite como transportador de catalisador. Os grupos funcionais que contêm oxigênio na superfície podem adsorver efetivamente os componentes ativos, como nanopartículas de metal ou óxidos de metal. Isso evita sua aglomeração e melhora a dispersão e a atividade do catalisador. Por exemplo, os catalisadores de óxido de grafite carregados com nanopartículas de platina apresentam excelente desempenho catalítico na reação de redução de oxigênio das células de combustível. Isso pode melhorar a eficiência da conversão de energia das células de combustível. Além disso, o próprio óxido de grafite também tem uma certa atividade catalítica. Em algumas reações orgânicas, como a reação de esterificação, a reação de epoxidação pode desempenhar um papel catalítico.

Campo de material composto

Ele é combinado com polímeros para formar materiais compostos de alto desempenho. A adição de óxido de grafite à matriz do polímero, como polietileno, polipropileno etc., pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas do polímero. Por exemplo, a resistência à tração, a resistência à flexão e o módulo. Isso ocorre porque a estrutura em camadas do óxido de grafite pode desempenhar um papel no fortalecimento e na resistência do polímero. E a interação da interface entre ele e o polímero também contribui para a transferência de estresse. Além disso, o óxido de grafite também pode melhorar a estabilidade térmica e as propriedades de barreira dos materiais compostos. Portanto, em muitos campos, como o aeroespacial, ele tem uma ampla gama de perspectivas de aplicação.

Preço do óxido de grafite e seus fatores de influência

O preço do óxido de grafite varia devido a uma série de fatores. De modo geral, seu preço de mercado varia de alguns dólares a dezenas de dólares por quilograma. Entre eles, o custo das matérias-primas é um dos fatores importantes que afetam o preço. O preço do óxido de grafite de alta qualidade pó de grafite natural é relativamente alto. E o custo dos reagentes químicos, como oxidantes fortes, não pode ser ignorado. Além disso, a complexidade e o custo do processo de preparação também têm impacto sobre o preço do óxido de grafite. O uso de processos de preparação mais avançados e finos, como o método Hummers aprimorado, embora permita a obtenção de produtos de óxido de grafite de melhor qualidade, geralmente exige maior investimento em equipamentos e maior consumo de energia. Isso resulta em preços mais altos do produto.

A pureza e a qualidade do produto também são fatores fundamentais para determinar o preço. Os produtos de óxido de grafite com alta pureza, tamanho de partícula uniforme, conteúdo de grupo funcional contendo oxigênio e distribuição controlável geralmente são mais caros. Esses produtos têm melhor desempenho em aplicações de ponta, como materiais de grau eletrônico e catalisadores de alto desempenho. E a demanda do mercado é relativamente grande. Ao mesmo tempo, a oferta e a demanda do mercado também flutuam no preço do óxido de grafite. Quando a demanda do mercado por óxido de grafite é forte e a oferta é relativamente insuficiente, o preço tende a subir. Por outro lado, quando o mercado está com excesso de oferta, o preço pode cair.

Comparação de óxido de grafite e óxido de grafeno

Características estruturais

O óxido de grafite mantém as características da estrutura em camadas do grafite. Mas o espaçamento entre as camadas é maior em comparação com o grafite original, geralmente entre 0,6 e 1,2 nm. Isso ocorre porque, durante o processo de oxidação, grupos funcionais que contêm oxigênio (como grupos hidroxila, epóxi e carboxila etc.) são introduzidos na camada intermediária e na borda do grafite. E a camada de grafite firmemente compactada é esticada. A estrutura geral ainda apresenta um estado de empilhamento de várias camadas, o número de camadas varia de dezenas a centenas de camadas. E as camadas são mantidas por forças fracas de van der Waals e pela interação entre grupos funcionais.

O óxido de grafeno é geralmente uma única camada ou algumas camadas (geralmente menos de 10 camadas) de estrutura de folha bidimensional, com espessura de apenas alguns nanômetros. É o produto do óxido de grafite após um tratamento adicional de remoção. E a camada única de óxido de grafeno tem uma grande relação de aspecto, e seu tamanho plano pode variar de centenas de nanômetros a dezenas de mícrons. Essa estrutura exclusiva de monocamada lhe confere uma área de superfície específica mais alta e um efeito de superfície mais significativo do que o óxido de grafite.

Propriedade física

Na aparência, o óxido de grafite é, em sua maioria, um pó sólido preto ou marrom escuro. Já o óxido de grafeno tem cor relativamente clara devido ao pequeno número de camadas, geralmente amarelo-acastanhado ou marrom-claro.

Do ponto de vista da solubilidade, o óxido de grafite tem certa solubilidade em solventes polares (como água, álcoois, etc.) devido à existência de mais grupos funcionais contendo oxigênio entre as camadas. Mas a dispersão é relativamente ruim e a aglomeração é fácil de ocorrer. O óxido de grafeno apresentou boa dispersão em uma variedade de solventes polares e pode formar uma solução coloidal estável. Isso ocorre porque sua estrutura de monocamada reduz a tendência de aglomeração. E os grupos funcionais abundantes na superfície fazem com que ele tenha interações mais fortes com as moléculas do solvente.

Em termos de propriedades elétricas, ambos exibem propriedades semicondutoras devido à presença de grupos funcionais contendo oxigênio. E sua condutividade elétrica é relativamente baixa. No entanto, devido à sua estrutura mais fina e à maior área de superfície específica, o óxido de grafeno tem um melhor grau de recuperação e controle das propriedades elétricas após o tratamento de redução do que o óxido de grafite. Após a remoção de alguns grupos funcionais contendo oxigênio por redução química ou térmica, a condutividade elétrica do óxido de grafeno pode ser significativamente melhorada. Até mesmo próximo ao nível do grafeno original, enquanto o desempenho elétrico do óxido de grafite é relativamente limitado.

Propriedade química

Os grupos funcionais que contêm oxigênio na superfície do óxido de grafite e do óxido de grafeno conferem a eles reatividade química semelhante. Esses grupos funcionais podem participar de uma variedade de reações químicas. Como, por exemplo esterificaçãoPor exemplo, ao reagir com uma amina orgânica, eterificação, amidação etc., é possível obter a modificação funcional dos materiais. Por exemplo, ao reagir com uma amina orgânica, grupos funcionais amino podem ser introduzidos em sua superfície. Isso melhora ainda mais a solubilidade do material ou sua compatibilidade com outras substâncias.

No entanto, como a estrutura de monocamada do óxido de grafeno faz com que seus grupos funcionais fiquem mais expostos. Ele geralmente tem maior atividade de reação e taxa de reação em reações químicas. Quando combinado com íons metálicos ou óxidos metálicos, o óxido de grafeno pode interagir mais rapidamente e de maneira mais uniforme com os componentes ativos para formar um composto com melhor desempenho.

Síntese de óxido de grafite e óxido de grafeno

A síntese do óxido de grafite adota principalmente o método de oxidação química, como o método clássico Hummers e seu processo aprimorado. Com o grafite como matéria-prima, sob a ação de oxidantes fortes, como ácido sulfúrico concentrado e permanganato de potássio, o grafite é gradualmente oxidado e formado por uma série de etapas complexas. Tais como reação de baixa temperatura, oxidação de média temperatura e intercalação de alta temperatura. O processo de preparação precisa controlar rigorosamente a temperatura da reação, a dosagem do oxidante, o tempo de reação e outros parâmetros para garantir a qualidade e o desempenho do óxido de grafite.

A síntese do óxido de grafeno é geralmente um tratamento de remoção adicional com base no óxido de grafite. Os métodos comuns de decapagem incluem decapagem ultrassônica, decapagem mecânica e decapagem por redução química. O método de remoção ultrassônica é o uso de cavitação ultrassônica, óxido de grafite em dispersão de solvente e descascamento em uma única camada ou em algumas camadas de óxido de grafeno. A remoção mecânica é obtida por força de cisalhamento ou fricção de alta velocidade. No processo de redução do óxido de grafite, o método de remoção por redução química usa o gás gerado pelo agente redutor ou a mudança estrutural no processo de redução para promover a remoção do óxido de grafite. E, ao mesmo tempo, realiza a remoção de alguns grupos funcionais que contêm oxigênio para obter óxido de grafeno reduzido com certa condutividade.

Conclusão

Como um material à base de carbono Com estrutura e propriedades exclusivas, o óxido de grafite apresenta muitas características em termos de propriedades físicas e químicas. Sua fórmula de preparação é relativamente madura. No entanto, ainda precisa de uma boa regulamentação para obter produtos de alta qualidade. Ele é amplamente utilizado em armazenamento de energia, catálise, materiais compostos e outros campos. E seu preço é afetado por muitos fatores, como matérias-primas, processo, qualidade e oferta e demanda do mercado. Em comparação com o óxido de grafeno, ambos têm vantagens e desvantagens. E podem desempenhar suas respectivas vantagens em diferentes cenários de aplicação.

Com o aprofundamento contínuo da pesquisa em ciência dos materiais e o progresso contínuo da tecnologia, espera-se que o óxido de grafite seja aplicado e desenvolvido em mais campos. E seu desempenho continuará a ser otimizado e aprimorado, fornecendo um forte apoio para promover o desenvolvimento de setores relacionados. Na pesquisa e no desenvolvimento futuros, será importante explorar ainda mais os novos métodos de síntese do óxido de grafite. E entender profundamente a relação entre sua estrutura e propriedades, expandindo seus novos campos de aplicação também são significativos.