Oxidativ udpakning af nanorør med flere vægge til grafen -nanoribbons

Graphene, et todimensionalt gitter af kulstofatomer, har tiltrukket enorm interesse fra en bred base af forskningsmiljøet i mere end et årti. Graphene nanoribbons (GNR'er), smalle strimler af kvasi endimensionel grafen, besidder komplementære træk i forhold til deres todimensionale modstykke til grafenark. Baseret på teoretiske beregninger, de elektriske egenskaber for GNR'er kan styres af bredden og kantkonfigurationen, og de kan variere fra metallisk til halvledende.

GNR'ernes fysiske egenskaber afhænger betydeligt af størrelsen og antallet af lag, som igen afhænger af deres syntesemetode. Der er tre hovedmetoder til syntese af GNR'er:skæring af grafen via litografiske teknikker, bottom-up syntese fra polycykliske molekyler, og udpakning af carbon nanorør (CNT'er). Mens bottom-up metoden giver en rute til præcis kantkontrol, og den litografiske metode har råd til GNR'er med præcis placering, udpakningsmetoden giver fordelen ved masseproduktion.

MWCNT-udpakningsmetoder kan klassificeres i fire hovedtyper:den reduktive-interkalationsassisterede tilgang, oxidativ udpakning, elektrokemisk udpakning, og en fjerde diverse gruppe af metoder. Den første tilgang er baseret på alkalimetallers velkendte evne til at interkalere grafit med ekspansion i Z-aksens retning. En sådan gitterudvidelse medfører ekstrem belastning inden for de koncentriske vægge, resulterer i sprængning, eller langsgående åbning af rørene. De resulterede GNR'er er meget ledende, men de forbliver flerlagede og folierede. På grund af tiltrækningen mellem overfladerne, de eksfolierer ikke til enkeltlagsbånd.

Den oxidative tilgang indebærer behandling af MWCNT'er i sure oxidative medier med formuleringen, der er næsten identisk med den, der anvendes til fremstilling af grafenoxid (GO) fra grafit ved hjælp af Hummers -metoden. Det resulterende produkt er grafenoxid -nanoribbons (GONR'er). I modsætning til GNR'er opnået ved reduktiv-interkaleringsmetoden, GONR eksfolierer let i vandig opløsning, og de kan opnås som enkeltlagsstrukturer. En reaktionsmekanisme til oxidativ udpakning blev foreslået af Kosynkin et al.

Påberåber den klassiske oxidation af alkenerne af permanganat i syrer, det første trin er dannelsen af ​​manganatester på en C-C-binding, og det andet trin er brud på C-C-bindingen med dannelse af ketoner ved de nydannede kanter. Denne mekanisme blev videreudviklet i det teoretiske arbejde af Rangel et al. Den originale syntese affødte adskillige undersøgelser af oxidativ udpakning af MWCNT'er. I mange rapporter, udpakningsprocessen blev betegnet som "kemisk" i modsætning til "interkalering-eksfoliering, "hvilket indikerer, at den permanganat-inducerede oxidative mekanisme er almindeligt accepteret, og blev endda foreslået mod udpakning af SWCNT'er.

Den nyligt foreslåede mekanisme var baseret på laboratoriets erfaring med mekanismen for GO -grafitdannelse, som involverer tre på hinanden følgende trin:(a) interkalering af grafit med svovlsyre med dannelse af et trin-1 H ₂ SÅ ₄ -grafisk interkaleringsforbindelse (GIC); (b) omdannelse af trin-1 H ₂ SÅ ₄ -GIC til uberørt GO, og (c) eksfoliering af GO til enkeltlagsarker ved udsættelse for vand.

Dermed, under givne betingelser, dannelsen af ​​trin et H ₂ SÅ ₄ -GIC er uundgåelig for ethvert grafitisk materiale. Efterfølgende, mekanismen for oxidativ udpakning af MWCNT'er kan også være interkalationsdrevet. Hvis dette er korrekt, forskere bør være i stand til at stoppe reaktionen efter det første trin mellem interkalering og udpakning, før det andet oxidationstrin fortsætter. Hvis opnået, dette vil give udpakkede, men ikke oxiderede eller minimalt oxiderede produkter, der besidder egenskaber, der ligner reduktivt udpakkede GNR'er opnået ved kalium- eller natrium-kaliummetalinterkalering. I dette arbejde, laboratoriet undersøgte virkningen af ​​de to centrale parametre, KMnO ₄ /MWCNT -forhold, og reaktionstidspunktet for strukturen og sammensætningen af ​​de opnåede GNR-produkter, og udledte en revideret og mere fuldstændig forståelse af udpakningsprocessen.

Forskerne demonstrerede, at mekanismen for oxidativ udpakning af MWCNT'er faktisk er interkalationsdrevet. Den samlede udpakningsproces involverer de samme tre trin som i løbet af GO -produktion fra grafit af Hummers og modificerede Hummers -metoder:intercalation, oxidation og eksfoliering. Med MWCNT'er, interkaleringen er forbundet med samtidig udpakning. Ved lav KMnO ₄ /MWCNT -forhold, det er muligt at opnå GNR'er med karakteristika, der ligner dem, der produceres ved reduktiv udpakning. 0,12 wt ækvivalent KMnO ₄ er tærskelforholdet tilstrækkeligt til næsten fuldstændig udpakning, med kun små mængder kovalent oxidation. Kontrol af KMnO ₄ /MWCNT-forhold og reaktionstid gør det muligt at producere GNR'er med egenskaberne varierende i et bredt kontinuerligt område fra flerlags grafiske GNR'er til enkeltlags GONR'er. Dermed, holdet besvarede flere spørgsmål, der forblev åbne inden for udpakning af MWCNT'er, såsom årsagen til, at de inderste vægge i nanorørene forbliver lynlås. Den interkaleringsdrevne reaktionsmekanisme giver en begrundelse for umuligheden af ​​at lynlåse enkeltvægge og fåvægs CNT'er, og hjælper med en revurdering af dataene fra den oxidative udpakningsproces.