Interkalering-uppackning, oxidation, och exfoliering av kolnanorör Kredit:Kazan Federal University, Laboratorium för avancerade kolnanomaterial
Grafen, ett tvådimensionellt galler av kolatomer, har väckt enormt intresse från en bred bas i forskarsamhället i mer än ett decennium. Graphene nanoribbons (GNRs), smala remsor av kvasi endimensionell grafen, har komplementära egenskaper i förhållande till deras tvådimensionella motsvarighet till grafenark. Baserat på teoretiska beräkningar, de elektriska egenskaperna hos GNR kan styras av bredden och kantkonfigurationen, och de kan variera från metalliskt till halvledande.
GNR:s fysikaliska egenskaper beror avsevärt på storleken och antalet lager, som i sin tur beror på deras syntesmetod. Det finns tre huvudmetoder för syntes av GNR:skärning av grafen via litografiska tekniker, bottom-up-syntes från polycykliska molekyler, och uppackning av kolnanorör (CNT). Medan bottom-up-metoden ger en väg till exakt kantkontroll, och den litografiska metoden har råd med GNR med exakt placering, uppackningsmetoden erbjuder fördelen med massproduktion.
MWCNT-uppackningsmetoder kan klassificeras i fyra huvudtyper:det reduktiva-interkalationsassisterade tillvägagångssättet, oxidativ uppackning, elektrokemisk uppackning, och en fjärde olika grupp av metoder. Det första tillvägagångssättet är baserat på den välkända förmågan hos alkalimetaller att interkalera grafit med expansion i Z-axelriktningen. Sådan gitterexpansion inducerar extrem stress inom de koncentriska väggarna, resulterar i sprängning, eller längsgående öppning, av rören. De resulterande GNR:erna är mycket ledande, men de förblir flerskiktade och bladiga. På grund av attraktionen mellan ytorna, de exfolierar inte till enkellagsband.
Den oxidativa metoden innefattar behandling av MWCNT i sura oxidativa medier med formuleringen nästan identisk med den som används vid framställning av grafenoxid (GO) från grafit med Hummers -metoden. Den resulterande produkten är grafenoxid -nanoribbon (GONR). Till skillnad från GNR som erhålls med reduktiv-interkalationsmetoden, GONR exfolierar enkelt i vattenlösning, och de kan erhållas som enskiktade strukturer. En reaktionsmekanism för oxidativ uppackning föreslogs av Kosynkin et al.
Åberopar den klassiska oxidationen av alkenerna av permanganat i syror, det första steget är bildandet av manganatester på en C-C-bindning, och det andra steget är bristningen av C-C-bindningen med bildning av ketoner vid de nybildade kanterna. Denna mekanism utvecklades vidare i det teoretiska arbetet av Rangel et al. Den ursprungliga syntesen gav upphov till många studier om oxidativ uppackning av MWCNT. I många rapporter, uppackningsprocessen betecknades som "kemisk" i motsats till "interkalering-exfoliering, "som indikerar att den permanganatinducerade oxidationsmekanismen har accepterats allmänt, och föreslogs till och med att packa upp SWCNT:er.
Den nyligen föreslagna mekanismen baserades på laboratoriets erfarenhet av mekanismen för GO -grafitbildning, som innefattar tre på varandra följande steg:(a) interkalkning av grafit med svavelsyra med bildning av ett steg-1 H 2 SÅ 4 -grafitinterkaleringsförening (GIC); (b) omvandling av steg-1 H 2 SÅ 4 -GIC till orörd GO, och (c) exfoliering av GO till enkelskiktsark vid exponering för vatten.
Således, under givna förutsättningar, bildandet av steg ett H 2 SÅ 4 -GIC är oundvikligt för grafitmaterial. Senare, mekanismen för oxidativ uppackning av MWCNT kan också vara interkalationsdriven. Om detta är korrekt, forskare bör kunna stoppa reaktionen efter det första interkalationsuppackningssteget innan det andra oxidationssteget fortsätter. Om uppnått, detta ger ozippade men inte oxiderade eller minimalt oxiderade produkter med egenskaper som liknar reduktivt uppackade GNR-värden erhållna genom kalium- eller natrium-kaliummetallinterkalkning. I det här arbetet, labbet undersökte effekten av de två nyckelparametrarna, KMnO 4 /MWCNT -förhållande, och reaktionstiden på strukturen och sammansättningen av erhållna GNR-produkter, och härledde en reviderad och mer fullständig förståelse av uppackningsprocessen.
Forskarna visade att mekanismen för oxidativ uppackning av MWCNT verkligen är interkalationsdriven. Den övergripande uppackningsprocessen innefattar samma tre steg som under GO -produktionen från grafit av Hummers och modifierade Hummers -metoder:intercalation, oxidation och peeling. Med MWCNT, intercalationen är associerad med samtidig uppackning. Vid låg KMnO 4 /MWCNT -förhållanden, det är möjligt att erhålla GNR med egenskaper som liknar dem som produceras genom reduktiv uppackning. 0,12 wt motsvarande KMnO 4 är tröskelkvoten tillräcklig för nästan fullständig uppackning, med endast små mängder kovalent oxidation. Kontrollera KMnO 4 /MWCNT-förhållande och reaktionstid gör att man kan producera GNR:er med egenskaperna som varierar i ett brett kontinuerligt intervall från grafiska GNR:er med flera lager till GONR med ett lager. Således, teamet svarade på flera frågor som fortfarande var öppna när det gäller att packa upp MWCNT, till exempel anledningen till att de inre väggarna i nanorören förblir dragkedja. Den interkalationsdrivna reaktionsmekanismen ger en motivering för omöjligheten att packa upp enkelväggiga och fåväggiga CNT, och hjälper till vid en omvärdering av data från den oxidativa uppackningsprocessen.
