Волокна графена под сканирующим электронным микроскопом. Чистый графен восстановлен из оксида графена (GO) в микроволновой печи. Масштаб 40 мкм (слева) и 10 мкм (справа). Фото: Jieun Yang, Damien Voiry, Jacob Kupferberg / Rutgers University

Графен — 2D-модификация углерода, образованная слоем толщиной в один атом углерода. Материал обладает высокой прочностью, высокой теплопроводностью и уникальными физико-химическими свойствами. Он демонстрирует максимальную подвижность электронов среди всех известных материалов на Земле. Это делает графен практически идеальным материалом в самых различных приложениях, в том числе в электронике, катализаторах, элементах питания, композитных материалах и т.д. Дело за малым — научиться получать качественные слои графена в промышленных масштабах.

Химики из Ратгерского университета (США) нашли простой и быстрый метод производства высококачественного графена путём обработки оксида графена в обычной микроволновой печи. Метод на удивление примитивный и эффективный.

Оксид графита — соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями. Чтобы избавиться от оставшегося кислорода в оксиде графита, а затем получить чистый графен в двумерных листах, нужно приложить значительные усилия.

Оксид графита смешивают с сильными щелочами и ещё дальше восстанавливают материал. В результате получаются мономолекулярные листы с остатками кислорода. Эти листы принято называть оксидом графена (GO). Химики испробовали разные способы удаления лишнего кислорода из GO (1, 2, 3, 4), но восстановленный такими способами GO (rGO) остаётся сильно неупорядоченным материалом, который далёк по своим свойствам от настоящего чистого графена, полученного методом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ или CVD).

Даже в неупорядоченной форме rGO потенциально может быть полезен для энергоносителей (1, 2, 3, 4, 5) и катализаторов (1, 2, 3, 4), но для извлечения максимальной выгоды от уникальных свойств графена в электронике нужно научиться получать чистый качественный графен из GO.

Химики из Ратгерского университета предлагают простой и быстрый способ восстановления GO до чистого графена, используя 1-2-секундные импульсы микроволнового излучения. Как видно на графиках, графен, полученный «микроволновым восстановлением» (MW-rGO) по своим свойствам намного ближе к чистейшему графену, полученному с помощью ХОГФ.


Физические характеристики MW-rGO, по сравнению с нетронутым оксидом графена GO, восстановленным оксидом графена rGO и графеном, полученным методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Показаны типичные хлопья GO, осаждённые на кремниевую подложку (А); рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (B); рамановская спектроскопия © и соотношение размера кристаллов (La) к отношению пиков l2D/lG в рамановском спектре для MW-rGO, GO и ХОГФ (CVD). Иллюстрации: Rutgers University


Электронные и электрокаталитические свойства MW-rGO, по сравнению с rGO. Иллюстрации: Rutgers University

Техпроцесс получения MW-rGO состоит из нескольких этапов.

  1. Окисление графита модифицированным методом Хаммерса и растворение его до однослойных хлопьев оксида графена в воде.
  2. Отжиг GO, чтобы материал стал более восприимчив к микроволновому облучению.
  3. Облучение хлопьев GO в обычной микроволновой печи мощностью 1000 Вт на 1-2 секунды. Во время этой процедуры GO быстро нагревается до высокой температуры, происходит десорбция кислородных групп и великолепная структуризация углеродной решётки.

Съёмка просвечивающим электронным микроскопом показывает, что после обработки СВЧ-излучателем образуется высокоупорядоченная структура, в которой кислородные функциональные группы практически полностью уничтожены.


На изображениях с просвечивающего электронного микроскопа показана структура листов графена со шкалой 1 нм. Слева — однослойный rGO, на котором много дефектов, в том числе функциональные группы кислорода (синяя стрелка) и дыры в углеродном слое (красная стрелка). По центру и справа — отлично структурированный двуслойный и трёхслойный MW-rGO. Фото: Rutgers University

Великолепные структурные свойства MW-rGO при использовании в полевых транзисторах позволяют увеличить максимальную подвижность электронов примерно до 1500 см2/В·с, что сравнимо с выдающимися характеристиками современных транзисторов с высокой подвижностью электронов.

Кроме электроники, MW-rGO пригодится в производстве катализаторов: он показал исключительно маленькое значение коэффициента Тафеля при использовании в качестве катализатора при реакции выделения кислорода: примерно 38 мВ на декаду. Катализатор на MW-rGO также сохранил стабильность в реакции выделения водорода, которая продолжалась более 100 часов.

Всё это предполагает отличный потенциал для использования восстановленного в микроволновом излучении графена в промышленности.

Научная статья "High-quality graphene via microwave reduction of solution-exfoliated graphene oxide" опубликована 1 сентября 2016 года в журнале Science (doi: 10.1126/science.aah3398).

Поделиться с друзьями
-->

Комментарии (16)


  1. nikitastaf1996
    02.09.2016 17:50

    Как сделать графен в домашних условиях.


    1. compdemon
      02.09.2016 17:59
      +9

      Изначально графен открыли при помощи скотча.
      Получение материала в промышленных масштабах при помощи микроволновки было лишь вопросом времени. :)


      1. thousandsofthem
        02.09.2016 21:23
        +1

        Еще был миксер был, бытовой


      1. vaut
        02.09.2016 21:47

        Еще один вариант был с помощью блендера и мыла.


      1. Mimimi
        02.09.2016 21:47
        +4

        Графен открыли за полвека до товарищей Гейма и Новоселова. Были способы получения и до скотча, только они были дороже и слои получались меньшего размера. Благодаря скотчу можно было получать большое число образцов в краткий срок и с минимальной стоимостью.
        Вообще математическая модель двумерного углерода больше века назад появилась.


    1. Foolleren
      02.09.2016 20:10

      потрите карандашом об бумагу, без шуток.
      Это всё фигня, посмотрите как делают процессоры, и посмотрите на это «открытие», сортировать в ручную пялясь в электронный микроскоп? нет это не производство это баловство.


  1. densss2
    02.09.2016 18:50
    +4

    Петрик себя сейчас за локти кусает, наверное.


    1. sergku1213
      02.09.2016 19:14

      Сдаётся мне он что-то подобное демонстрировал прямо в ведре. Только там была не окись марганца (VII), а окись хрома (VI). Вероятно получал оксид графена, но не мог его очистить и восстановить. Влияние среды, вероятно. Кстати — все стадии описанные — вполне доступны в домашних условиях. Очуметь.


      1. k155la3
        03.09.2016 10:51
        +1

        Петрик получал термографит, это несколько иное и было известно за десятки лет до него.

        Самый простой способ — интеркаляция серной кислотой, а дальше — тупо нагрев (можно в микроволновке :)). Испаряющаяся и разлагающаяся серная кислота рвёт графит изнутри, и — вуаля!


    1. Moog_Prodigy
      02.09.2016 19:17
      +2

      Не кусает. Аферисты такого уровня навариваются «здесь и сейчас».


  1. rageOfAxe
    02.09.2016 21:47
    +1

    Petrick edition


  1. Structure
    02.09.2016 21:47
    +2

    Графен графену рознь. Свойства сильно отличаются из-за разных дефектов и примесей. Мало получить графен, нанотрубки и т.д. Их еще надо суметь применить. А для этого нужно разработать технологию…


  1. Nick_Name
    02.09.2016 21:48

    image


    1. Chefcook81
      03.09.2016 02:26

      Дайте ссылку скачать почитать))


      1. Danov
        03.09.2016 10:07
        +2

        «Берете тяжелую воду, скручиваете из медной проволоки зет машину на ионисторе, подключенном к кроне....»

        Эта обложка фейк дизайнера!!! )


  1. RumataEstora
    03.09.2016 14:32
    +1

    > Оксид графита — соединение углерода, водорода и кислорода в различных соотношениях, которое образуется при обработке графита сильными окислителями.
    Фраза неверна в корне. К оксидам относят бинарные соединения кислорода с химическим элементом. То есть, по определению, оксид не может содержать водород в каких-либо соотношениях, если это только не оксиды водорода или гидраты.