Freshmen-niveau kemi løser opløselighedsmysteriet af grafenoxidfilm

Et team ledet af Northwestern University fandt for nylig svaret på et mystisk spørgsmål, der har forundret materialevidenskabssamfundet i årevis - og det kom i form af noget overraskende grundlæggende kemi.

Ligesom mange videnskabsmænd, Jiaxing Huang forstod ikke, hvorfor film af grafenoxid (GO) var meget stabile i vand. Når nedsænket, de enkelte GO-ark bliver negativt ladede og frastøder hinanden, hvilket skulle få membranen til at gå i opløsning. Men tidligere papirer bemærkede, at i stedet for at gå i opløsning, filmene stabiliserede sig.

"Det giver ingen mening, " sagde Huang, lektor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering. "Mange forskere har været meget forundrede over dette."

grafenoxid, et produkt af grafitoxidation, bruges ofte til at lave grafen, et enkelt-atom-lag tykt ark af kulstof, der er bemærkelsesværdigt stærkt, letvægts, og har et højt potentiale inden for elektronik og energilagring. Inden for de seneste tre år, imidlertid, flere forskere er blevet interesseret i selve GO, delvist på grund af dets potentiale for molekylære separationsapplikationer.

Efter at have studeret materialet i mange år, Huang indså, at hemmeligheden bag GO's mystiske uopløselighed var den utilsigtede introduktion af en almindelig forurening. For at lave en GO-film, mange forskere passerer den sure dispersion af individuelle plader gennem porøse anodiserede aluminiumoxidfilterskiver, som populært bruges til fremstilling af membraner af mange nanomaterialer. Huangs team fandt ud af, at under filtrering, aluminiumsfilterskiverne korroderer i surt vand og frigiver et betydeligt antal aluminiumioner, Al ³⁺ . Den positivt ladede ion binder sig til de negativt ladede GO-ark for at stabilisere de resulterende membraner.

"Vi har løst gåden ved at bruge uorganisk kemi på førsteårsniveau, " sagde Huang. "Nu ved vi, at grafenoxidfilm faktisk er opløselige i vand. Det er bare et spørgsmål om prøvens renhed."

Andre multivalente metalioner, såsom mangan, som er et biprodukt fra syntesen af ​​GO, kan også krydsbinde arkene.

Huangs forskning er beskrevet i "Om oprindelsen af ​​stabilitet af grafenoxidmembraner i vand, " offentliggjort i Naturkemi den 5. januar. Andre forfattere af papiret omfatter kandidatstuderende Che-Ning Yeh, postdoc Kalyan Raidongia, tidligere gæstende kandidatstuderende Jiaojing Shao, og Shaos tidligere rådgiver Quan-Hong Yang fra Tianjin Universitet i Kina. National Science Foundation og Office of Naval Research finansierede forskellige dele beskrevet i papiret.

Huangs fund indikerede også, at GO-film ikke er så stærke, som forskere engang troede. Aluminiumionerne gør filmen meget stivere. Uden ioner, GO er tre til fire gange svagere.

"Dette er et wake-up call for alle, der bruger aluminiumoxidfilterskiver, " sagde han. "Folk har brugt det til prøveforberedelse inden for mange områder af materialevidenskab og biologi. Nu ved vi, at det ikke er så rent, som vi tror."