Grafen, grafenoxid a jejich analoga
Grafen a jeho analogy připravené intenzivním kavitačním polem
Kontakt: V. Štengl, Oddělení chemie pevných látek
Grafit je vrstevnatý šesterečný minerál. Jedna vrstvička grafitu o tloušťce jednoho atomu se nazývá grafen a byl poprvé cíleně připravena v roce 2004 metodou lepící pásky fyziky ruského původu A. Geimem a K. Novoselovem, kteří za jeho objev dostali Nobelovu cenu v roce 2010. Grafen byl zřejmě připraven již v roce 1962 chemikem Hanns-Peter Boehmem oxidací grafitu na oxid grafitu metodou popsanou v roce 1859 a upravenou Hummersem v roce 1957. Z grafitu se explozívním koktejlem z koncentrované kyseliny sírové a manganistanu draselného připraví grafenoxid, který se zredukuje na grafen např. glukózou.
Grafen lze připravit i bez explozívního koktejlu: působením intenzivního kavitačního pole v prostředí silných polárních aprotických rozpouštědel (DMSO, NMP, DMF) při tlaku 5-6 atm ve vsádkovém ultrazvukovém reaktoru výkonem 2 kW lze exfoliovat (delaminovat) grafit až na jednotlivé monovrsty. Tímto procesem lze připravit z grafitu grafen ve výtěžku v řádu desítek gramů a také ho kvantitativně převést na oxid grafenu při podstatně mírnějších a bezpečnějších podmínkách než oxidace grafitu. Příprava grafenu nebo jeho oxidu v kvantitativním měřítku umožňuje připravit již takové množství vzorku, které je potřebné pro syntézu nových materiálů s obsahem grafenu. Jako příklad lze uvést fotolatalyticky aktivní kompozitní nanomateriál z grafenu a oxidu titaničitého. Oxidací grafenu lze připravit grafenoxid, který je daleko reaktivnější. Toho lze využít pro přípravu dalších nových materiálů nebo materiálů, které lze obtížně připravit. Příkladem může být syntéza grafenových kvantových teček, které se připravují z grafén oxidu z grafitu reakcí v autoklávu za zvýšené teploty a tlaku. Náš reaktivní grafenoxid je umožňuje připravit za běžných laboratorních podmínek.
Zvládnutí syntézy grafenu, resp. grafenoxidu (a jejich anorganických analogů) otevírá cestu k přípravě nových, vysoce sofistikovaných materiálů, jako jsou např. materiály pro fotokatalytické aplikace, pro sorpci persistentních organických polutantů, pro stechiometrické degradace látek znečišťujících životní prostředí, bariérové transparentní barvy nebo luminiscenční materiály. Stejnou metodu lze použít i na exfoliaci anorganických analogů grafenu, MoS2, WS2, BN, CaF2, NbSe2 atd. Exfoliované prekursory nám umožnily připravit dosud nepublikované kvantové tečky na bázi MoS2 a BN.
Vybrané publikace
- V. Štengl, Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor, Chemistry – A European Journal, 18 (2012) 14047-14054.
- V. Štengl, D. Popelková, P.Vláčil P, TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts, Journal of Physical Chemistry C, 115 (2011) pp 25209–25218.