Nye fund om strukturen af ​​grafitoxider i alkoholer

(Phys.org) – Strukturen af ​​grafitoxid udvider sig overraskende, når den afkøles i methanol eller ethanol. Også, grafitoxid absorberer selektivt methanol fra vand-methanolblandinger. To nye undersøgelser udført af fysikere ved Umeå Universitet i Sverige, udgivet i ACS Nano og J. Phys. Chem. C , henholdsvis, give viden om nye egenskaber ved oxideret grafit og grafen.

Grafen er et todimensionelt materiale, der består af et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i en bikagestruktur. Grafen kan betragtes som et unikt adsorberende materiale på grund af dets ekstremt store overfladeareal. Et gram grafen har et overfladeareal, der kan sammenlignes med en fodboldbane. Denne overflade kan bruges til adsorption af gasser og væsker, i applikationer til gaslagring, ekstraktion af forurenende stoffer fra vand, osv. Dog grafen er hydrofob, hvilket betyder, at dens overflade afviser vand.

På den anden side, oxidation af grafen resulterer i bemærkelsesværdige ændringer i dets egenskaber. Grafenoxid er hydrofilt, og det er også letopløseligt i vand. Et materiale sammensat af mange stablede grafenoxidlag kaldes grafitoxid. Det har mange unikke egenskaber:det absorberer vand og alkoholer i store mængder, ligner ler, der svulmer, når der tilsættes vand.

En ny undersøgelse foretaget af Alexandr V. Talyzin og hans team afslører, at grafitoxid er i stand til at inkorporere endnu mere methanol og ethanol ved lave temperaturer sammenlignet med stuetemperatur. Dens struktur udvider sig, når den afkøles i et overskud af flydende opløsningsmiddel. Ved -130 grader Celsius adskilles grafenoxidlagene med 20,4 Å på grund af inkorporering af yderligere ethanol i dets struktur, sammenlignet med cirka 3,4 Å i naturlig grafit og cirka 6,5 ​​Å i opløsningsmiddelfrit grafitoxid.

"Afstanden mellem grafenoxidlag ved lave temperaturer er så stor, at det bliver til et kompositmateriale med grafenoxidark adskilt af mindst fire monolag af methanol- eller ethanolmolekyler. Det, der også er bemærkelsesværdigt, er, at dette fænomen kun er begrænset til en bestemt type af grafitoxid og er ikke observeret i en anden undersøgt type. Faktisk, mange forskellige slags grafitoxid kendes, og nu begynder vi at forstå, hvor enorme variationerne i deres egenskaber er. Det er ikke kun ét materiale, det er en hel familie af materialer, " siger Alexandr V. Talyzin, forsker ved Institut for Fysik.

I en separat undersøgelse offentliggjort i J. Phys. Chem. C det blev påvist, at en bestemt type grafitoxid kan anvendes til selektiv absorption af methanol fra vand-methanolblandinger. Et meget simpelt prototypefiltreringseksperiment viste, at når en væske-methanol-blanding ledes gennem grafitoxidpulver, noget af methanol absorberes i pulveret, og opløsningen, der passerer igennem, indeholder mere rent vand.

"I fremtiden vil vi gerne designe specielle membraner sammensat af grafenoxidlag, som kan bruges til adskillelse af forskellige opløsningsmidler og rensning af vand. Disse første resultater hjælper os med at forstå mulige måder at lave sådanne membraner på, "siger Alexandr V. Talyzin.

Det første eksempel på vellykkede opløsningsmiddelseparationseffekter blev rapporteret sidste år i en undersøgelse af R.R. Nair et al. fra et forskerhold ved Manchester University, ledet af I.Grigorieva og nobelpristageren A. Geim, berømt for deres forskning inden for grafenområdet.