Graphenoxid
Weiterleitung
Weiterleitung nach:
Graphenoxid ist ein kohlenstoffbasiertes 2D-Nanomaterial, das in der Regel durch Oxidation von Naturgraphit hergestellt wird. Charakteristisch für diese Material ist das hexagonale Kohlenstoff-Grundgerüst mit orthogonalen funktionellen Gruppen und einer gewissen Menge an Lochdefekten innerhalb der Kohlenstoffschicht. Dieses Material ist ein Precursor für die gewinnung von Graphen. Graphenoxid ist der Grundterminus für oxidiertes und und mit Sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen versehenes, einlagiges Graphen. Im Falle einer geringen Anzahl an Fehlstellen im Kohlenstoffgitter ( < 1%) ist es eindeutiger, von oxo-funktionalisiertem Graphen zu sprechen.
Struktur
Graphenoxid besteht aus einer einzelnen Lage von Graphen, die beideitig mit Sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen dekoriert ist. Mittlerweile konnten je nach syntheseprotokoll unterschiedliche mengen folgende Funktionellen Gruppen zusätzlich zu Lochdefekten nachgewiesen werden: Hydroxyle, Carbonyle, Carboxyle, Peroxide, Endoperoxide, Organosulfate. Alterungsprozesse sind dafür verantwortlich, dass eine anfänglich homogene Verteilung der funktionellen Gruppen zu sp² und sp³ dominierten Arealen führt.
Herstellung
Für die Herstellung von Graphenoxid gibt es kein einheitliches Protokoll. Je nach Methode variiert die Ausbeute, der Funktionalisierungsgrad des sp2-Gitters und die Anzahl der eingeführten Lochdefekte. In der Regel wird Graphit in konzentrieten oxidierenden, starken Säuren (z.B. Schwefelsäure, Salpetersäure) mit einem starkem Oxidationsmittel (z.B. KMnO4, KClO4) versetzt. In vielen Protokollen wird eine Mischung von Schwefelsäure/ortho-Phosphorsäure sowie NaNO3 oder Kaliumpersulfat als kooxidant eingesetzt. Diese Reaktionsmischung bewirkt eine gleichzeitige Interkalation und Oxidation der einzelnen Kohlenstoffschickten im Graphit. Es entsteht eine sogenanntes graphite intercalation compound, wobei sich der Schichtabstand durch Interkalation und positiverung der einzelnen Graphenlagen von 0.332 nm auf ~ 0.9 nm erhöht. Durch die Zugabe von Wasser werden die positiven Ladungen gelöscht und funktionelle Gruppen eingetragen. Darauf folgend kann das entstandene Graphitoxid mit Ultraschall, Kugelmühlen oder Jet-Cavitation delaminiert werden. Nach der Aufreinignug - gewöhnlich durch Zentrifugation, erhält man eine goldgelbe dispersion von Graphenoxid in Wasser. Eine vorherige Zugabe von H2O2 transformiert Mnx+ Spezies in wasserlösliche Mn2+ Ionen und erleichtert die Aufreinigung.
Tabelle Protokolle: Charpie, Brodie, Hummers und Offeman
Partikelgröße
Die Größe der einzelnen Graphenoxid Partikel kann durch post-processing via Ultraschallt, Kugelmühle, Jet-Cavitation etc... gesteuert werden. Ob eine rein-mechanischer Bruch oder ein chemisch aktivierter Bruch vorliegt konnte noch nicht abschließend geklärt werden.