Китайские химики разработали метод получения оксида графена, безопасный для окружающей среды. Предложенный подход основан на электрохимическом окислении и примерно в 100 раз быстрее окисления традиционными методами, пишут ученые в Nature Communications.

Оксид графена — материал, очень похожий на графен: он тоже состоит из гексагональной двумерной решетки из атомов углерода, но, в отличие от графена, в нем присутствуют поры, а на границах решетки к атомам углерода присоединены кислород-содержащие группы (в первую очередь это гидрокси-, эпокси- и карбоксильные группы). По своим механическим свойствам оксид графена довольно близок к самому графену, однако его химические и электронные свойства несколько отличаются. Это, например, позволяет делать из него более эффективные мембраны для фильтрования воды и органических растворителей или сенсоры для определения влажности воздуха. Обычно оксид графена получают с помощью окисления графена сильными окислителями, в частности с помощью перманганата калия в процессе синтеза по методу Хаммерса. Однако такие методы занимают достаточно долгое время, при этом в большинстве случаев реакционная смесь является взрывоопасной, а некоторые из продуктов реакции оказываются вредны для окружающей среды.

Китайские химики под руководством Вэньцая Жэня (Wencai Ren) из Шэньянского института исследования металлов предложили для синтеза оксида графена использовать электролитическое окисление в водном растворе. По словам авторов работы, в отличие от используемых сейчас методов, такой подход использует только методы «зеленой химии», поэтому не представляет опасности для окружающей среды.

Для получения оксида графена химики предложили следующую методику. Сначала графитовую бумагу погружают в раствор 98-процентной серной кислоты и выдерживают в ней в течение 20 минут при напряжении 1,6 вольта. Это позволяет гидросульфид-ионам встроиться между углеродными слоями. После этого кислоту разбавляют примерно в два раза, а напряжение увеличивают до 5 вольт. Минутная обработка графита в таких условиях приводит к образованию оксида графита. После этого полученный материал очищают с помощью вакуумной фильтрации и с помощью ультразвука в воде трехмерную многослойную структуру разбивают на отдельные слои оксида графена.

Схема электролитического метода получения оксида графена. S. Pei et al./ Nature Communications, 2018

Полученный оксид графена ученые сравнили с оксидом графена, полученным традиционным методом Хаммерса, и оказалось, что по своим структуре, составу, оптическим и проводящим свойствам практически не отличается от аналогов. При этом, по словам ученых весь процесс получения таким образом занимает не более получаса, а непосредственно стадия окисления занимает всего несколько секунд, что примерно в 100 раз быстрее традиционных методов окисления. При этом методика позволяет контролировать степень окисления графена, число слоев в образовавшемся материале, а также его поперечные размеры с помощью изменения концентрации серной кислоты.

Чтобы показать, что полученный оксид графена можно использовать для создания функциональных материалов, ученые использовали его для создания проводящих прозрачных пленок, прочной бумаги и сверхлегких упругих аэрогелей — наиболее распространенных современных приложений для оксида графена. По своим параметрам полученные материалы не уступали полученным традиционными способами: прозрачность проводящих пленок составила 80 процентов при длине волны 550 нанометров, механическая прочность бумаги — 175 мегапаскалей, а плотность аэрогеля — 3 миллиграмма на кубический сантиметр.

Оксид графена часто используют в качестве вещества, из которого потом с помощью восстановления получают графен. Такой графен содержит большое количество дефектов и может использоваться для создания проводимой ткани очень большой площади, из которой можно делать элементы, например, для носимых сенсоров и другой электроники.

Автор: Александр Дубов