روش تولید گرافن (2)
در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرارگیری برخی گروه های عاملی و هم چنین اتم های هیدروژن است.
در مطلب قبل با گرافن و روش لایه لایه کردن میکرومکانیکی گرافیت آشنا شدید، حال با روش های دیگر آشنا می شوید.
تولید گرافن از اکسید گرافیت
از قرن نوزدهم که اکسید گرافیت برای اولین بار تهیه شد، برای تولید این ماده، عمدتاً از روش های Brodie ،Staudenmeier و Hummers استفاده شده است. هر سه روش مذکور، شامل اکسیدکردن گرافیت در حضور اسیدها و اکسیدکننده های قوی است. به رغم تحقیقات زیادی که برای روشن کردن ساختار اکسید گرافیت انجام شده است، همچنان، چندین مدل در مقالات، مورد بحث واقع می شود. برای نمونه، در «شکل 4»، شمای کلی از فرایند Hummers به تصویر کشیده شده است.
شکل 4، شمای کلی از فرایند Hummers
در «شکل 4»، روش Hummers و نهایتاً، کاهش حرارتی نشان داده شده است. به طور خلاصه، در این فرآیند، ابتدا گرافیت به صورت حجمی در آب اکسید شده و لایه های آن، از هم جدا می شوند و در نهایت، با حرارت، کاهش یافته و گرافن تک لایه حاصل می گردد.
همان طور که بیان شد، اکسید گرافیت، به عنوان پیش ماده برای تولید گرافن در این فرایند درنظر گرفته می شود. چون اکسید گرافیت ساختاری لایه اى شكل از جنس ورقه هاى اكسید گرافن دارد كه بسیار آب دوست است، مولكول هاى آب ،به راحتى مى توانند در بین این صفحات وارد شوند. شایان ذكر است که می توان با استفاده از امواج ماورای صوت (شکل 5) و به هم زدن شدید مخلوطی از اکسید گرافیت و آب به مدت طولانی، این ماده را کاملاً لایه لایه و یک مخلوط معلق کلوئیدی آبی از ورقه های اکسید گرافن تولیدکرد. همچنین، در «شکل 6»، می توان نمایی کلی از مراحل فرآیند تولید گرافن از گرافیت را مشاهده نمود.
شکل 5
شکل 6
در «شکل 7»، تصویر میکروسکوپی الکترونی روبشی (SEM) از صفحات انباشته شده و کاهش یافته اکسید گرافیت، ارائه شده است.
شکل 7
تولید گرافن از مشتقات دیگر گرافیت
گرافیت با ترکیبات جوف گذاری شده (intercalation compound graphite) و گرافیت های بسط پذیر (expandable graphite) که نوع خاصی از ترکیبات لایه دار گرافیتی هستند، به عنوان ماده ی اولیه در ساخت سوسپانسیون های کلوئیدی از ورقه های گرافن تک لایه ای، مورد استفاده قرار گرفته اند. به شکل ایده آل، استفاده از گرافیت، ترکیبات لایه دار گرافیت و گرافیت های بسط پذیر، امکان تولید سوسپانسیونی از ورقه های گرافنی با کیفیت بالا، (تقریباً گرافن خالص) را ایجاد می کند.
تولید ورقه های گرافن به روش سنتز الکتروشیمیایی
سنتز الکتروشیمیایی ورقه های گرافن، یک فرآیند تک مرحله ای است. در این فرآیند، از دو میله که از جنس گرافیت با خلوص بالا هستند، به عنوان الکترود استفاده شده است. سپس، الکترودها را در یک سلول الکتردشمیایی و در الکترولیتی که حاوی یک محلول یونی و آب است، غوطه ور می سازند.
در جدول زیر، مروری بر مزایا و محدودیت های برخی از روش های نام برده برای تولید گرافن، صورت گرفته است:
نام روش | مزایا | محدودیت ها |
لایه لایه کردن مکانیکی | هزینه کم | برای تولید عمده مناسب نیست |
رشد هم بافته | تولید صفحات یکنواخت و صاف | سخت بودن کنترل مورفولوژی |
اکسید گرافن | فرآیند سریع | پراکندگی کلوئیدی ناپایدار |
کاربردهای گرافن و چشم انداز آینده
بدون توجه به این حقیقت كه گرافن به تازگى كشف شده است، ظرفیت بالقوه بهره بردارى از آن در زمینه هاى مختلف، از ابزارهاى ذخیره سازى هیدروژن گرفته تا باترى ها، قابل ذکر است.
كاربرد گرافن در صنعت الكترونیك، مى تواند انقلابى در كاربرد این ماده باشد. با استفاده از آن، مى توان به ترانزیستورهاى سریع تر و كوچك تر با مصرف انرژی کمتر و پراکندگی حرارتی بیشتر نسبت به ابزارهای پایه ی سیلیکونی دست یافت. کاربردهای دیگر گرافن، شامل ساخت حسگرهای شیمیایی و لایه های نازک شفاف رسانا برای سلول های خورشیدی و ابزارهای کریستال مایع است.
به عنوان مثال، اضافه کردن گرافن به دی اکسید تیتانیوم در سلول های خورشیدی، جریان را تا بیش از 50 درصد افزایش می دهد. حسگرهای شیمیایی پایه ی گرافن، به منظور شناسایی مولکول های گازی، مانند دی اکسید نیتروژن، استفاده شده اند. امروزه، توانایی این حسگرها در شناسایی تک مولکول ها، به خاطر حساسیت فوق العاده آنها، محرز شده است. نسبت سطح به جرم بالای گرافن، این ماده را برای ساخت ابرخازن ها و باتری ها مناسب کرده است.
همچنین، دانشمندان موفق به ساخت ابرخازن هایی شده اند که با وجود این که چگالی انرژی آنها با چگالی انرژی در باتری ها قابل مقایسه است، نه تنها به دفعات، قابیت پر و خالی شدن را دارا هستند، بلکه، سرعت انجام این فرآیند در آنها، 100 تا 1000 برابر شده است. از دیگر کاربردهای گرافن، می توان به استفاده آنها در مواد کامپوزیتی که نیاز به مقاومت بالا دارند، اشاره کرد.
ادامه دارد ...
بخش مرکز یادگیری سایت تبیان - مرجان سلیمانیان
