Czy można wizualizować tlenek grafenu z zawiesiny?


Graphengitter

Pojedyncze warstwy grafenowe - Zjawisko restackingu. Sprzęt i środki chemiczne: Słoik Snap-top (50 ml); butelka squirt; zlewka (100ml); butelka ssąca; bibuła filtracyjna; Nutsche; zlewka (25 ml); mieszadło magnetyczne; ditionit sodu; wodorotlenek sodu; tlenek grafenu.

Wykonanie

Tlenek grafenu przygotowuje się w sposób opisany w eksperymencie 1 i rozpuszcza się go z bibuły filtracyjnej lekkim strumieniem wody z butelki z rozpylaczem lub z kranu i przenosi do zlewki. Wodna, wolna od soli zawiesina tlenku grafenu jest ponownie odsysana przez czystą kolbę ssącą. Około 25 ml zebranej klarownej cieczy przenosi się do probówki typu snap-top. Probówkę snap-top umieszcza się na podgrzewanym mieszadle magnetycznym i zawartość podgrzewa się do temperatury ok. 80°C. Następnie ciecz przenosi się do zlewki.

W zlewce 0,45 g ditionitu sodu miesza się z 1,8 g wodorotlenku sodu, rozpuszcza w 10 ml wody i dodaje do zawiesiny tlenku grafenu w szklanej saszetce z wieczkiem. Zawartość probówki z wieczkiem migawkowym obserwuje się przez około 45 minut.

Obserwacja

Dodanie roztworu ditionitu sodu powoduje lekkie zmętnienie klarownej cieczy. W ciągu pierwszych 10 minut pojawiają się drobne czarne cząsteczki, pogrążając roztwór w "szarej mgiełce". W miarę upływu czasu cząstki te coraz bardziej łączą się w większe czarne płatki i w końcu opadają na dno naczynia. Po 45 minutach roztwór jest znowu bardzo klarowny.

Abb
Rysunek 12: Redukcja klarownego roztworu GO przez ditionit sodu. Płatki grafenu pojawiają się z "niczego". Rysunek 1: czysty roztwór GO; Rysunek 2: roztwór GO zmieszany z ditionitem sodu; Rysunek 3 - Rysunek 8: Obserwacje po 5 minutach, 10 minutach, 15 minutach, 25 minutach, 35 minutach, 45 minutach.

Ocena

Widoczne gołym okiem wielowarstwowe cząstki tlenku grafenu są zsuwane na bibułę filtracyjną, natomiast mniejsze cząsteczki lub agregaty jednowarstwowego, dwu-, trójwarstwowego tlenku grafenu są zasysane przez pory bibuły filtracyjnej i pozostają rozpuszczone w roztworze. Przez dodanie 15.

ditionianu sodu, warstwy tlenku grafenu są redukowane do grafenu, jak opisano w eksperymencie 2. O ile tlenek grafenu, dzięki grupom funkcyjnym zawierającym tlen, ma charakter polarny, o tyle cząsteczka grafenu zachowuje się jak substancja niepolarna. Jeżeli teraz poszczególne cząsteczki grafenu zawieszone w roztworze spotkają się, to istnieje możliwość, że będą one tworzyć oddziaływania Van der Waalsa i będą się agregować, jak pokazano na rysunku 10. W zależności od czasu, mikroskopijne cząsteczki grafenu agregują się tworząc coraz większy makroskopowo widoczny kompleks lub cząsteczkę [16-19].

Abb 13
Rysunek 13: Pojedyncze warstwy grafenu łączą się w polarnym ośrodku tworząc duży kompleks.

 

Proces ten, nazywany "restacking", jest odpowiedzialny za to, że na rynku komercyjnym nie ma jeszcze systemów magazynowania energii opartych na grafenie. W bateriach grafenowych, już po kilku cyklach ładowania i rozładowania, warstwy grafenu łączą się ze sobą tworząc kompleks grafenopodobny.

Wiele unikalnych właściwości grafenu, takich jak wyjątkowo duża powierzchnia czynna i dobra przewodność, ulega znacznemu pogorszeniu lub utracie w miarę postępu cykli ładowania i rozładowania [18].

Najmniejsze cząstki tlenku grafenu w eksperymencie 3a nie są widoczne gołym okiem, dlatego wydaje się, że po redukcji ditionitem płatki grafenu pojawiają się "z niczego".

Kolejnym dowodem na obecność cząstek tlenku grafenu może być efekt Tyndalla. Efekt Tyndalla opisuje zjawisko polegające na tym, że wiązka światła w rzekomo przejrzystym roztworze staje się widzialna poprzez odbicie wiązki światła od najmniejszych cząstek koloidalnych w roztworze [14].