Grafeenoxide

Optische niet-lineariteitEdit

Nonlineaire optische materialen zijn van groot belang voor ultrasnelle fotonica en opto-elektronica. Recent is gebleken dat de reusachtige optische niet-lineariteiten van grafeenoxide (GO) nuttig zijn voor een aantal toepassingen. Zo zijn de optische begrenzingen van GO onmisbaar om gevoelige instrumenten te beschermen tegen lasergeïnduceerde schade. En de saturabele absorptie kan worden gebruikt voor pulscompressie, mode-locking en Q-switching. Ook is de niet-lineaire breking (Kerr-effect) van cruciaal belang voor functionaliteiten zoals all-optical switching, signaalregeneratie en snelle optische communicatie.

Een van de meest intrigerende en unieke eigenschappen van GO is dat de elektrische en optische eigenschappen dynamisch kunnen worden afgestemd door het gehalte aan zuurstofhoudende groepen te manipuleren via chemische of fysische reductiemethoden. Het afstemmen van de optische niet-lineariteiten is aangetoond tijdens het gehele laser-geïnduceerde reductieproces door continue verhoging van de laserinstraling en er zijn vier stadia van verschillende niet-lineaire activiteiten ontdekt, die kunnen dienen als veelbelovende vaste-stofmaterialen voor nieuwe niet-lineaire functionele apparaten. Het is ook bewezen dat metalen nanodeeltjes de optische niet-lineariteit en fluorescentie van grafeenoxide sterk kunnen verbeteren.

GrafeenproductieEdit

Grafietoxide heeft veel belangstelling getrokken als een mogelijke route voor de grootschalige productie en manipulatie van grafeen, een materiaal met buitengewone elektronische eigenschappen. Grafietoxide zelf is een isolator, bijna een halfgeleider, met een differentieel geleidingsvermogen tussen 1 en 5×10-3 S/cm bij een basisspanning van 10 V. Omdat grafietoxide echter hydrofiel is, dispergeert het gemakkelijk in water, waarbij het uiteenvalt in macroscopische vlokken, meestal één laag dik. Chemische reductie van deze vlokken zou een suspensie van grafeenvlokken opleveren. De eerste experimentele waarneming van grafeen werd gerapporteerd door Hanns-Peter Boehm in 1962. In dit vroege werk werd het bestaan aangetoond van monolaag gereduceerde grafeenoxideschilfers. De bijdrage van Boehm werd onlangs erkend door Andre Geim, de Nobelprijswinnaar voor grafeenonderzoek.

Partiële reductie kan worden bereikt door het gesuspendeerde grafeenoxide gedurende 24 uur te behandelen met hydrazinehydraat bij 100 °C, door grafeenoxide enkele seconden bloot te stellen aan waterstofplasma, of door blootstelling aan een sterke lichtpuls, zoals die van een Xenonflits. Als gevolg van het oxidatieprotocol belemmeren de vele defecten die reeds in grafeenoxide aanwezig zijn de doeltreffendheid van de reductie. De kwaliteit van het na de reductie verkregen grafeen wordt dus beperkt door de kwaliteit van de precursor (grafeenoxide) en de efficiëntie van het reductiemiddel. Het geleidingsvermogen van het op deze wijze verkregen grafeen is echter lager dan 10 S/cm, en de ladingsmobiliteit ligt tussen 0,1 en 10 cm2/Vs. Deze waarden zijn veel hoger dan die van het oxide, maar nog steeds een paar orden van grootte lager dan die van ongerept grafeen. Onlangs werd het synthetisch protocol voor grafietoxide geoptimaliseerd en bijna intact grafeenoxide met een behouden koolstofraamwerk werd verkregen. Reductie van dit bijna intacte grafeenoxide presteert veel beter en de mobiliteitswaarden van ladingsdragers overschrijden 1000 cm2/Vs voor de beste kwaliteit van schilfers. Inspectie met de atomaire-krachtmicroscoop toont aan dat de zuurstofverbindingen de koolstoflaag vervormen, waardoor een uitgesproken intrinsieke ruwheid in de oxidelagen ontstaat, die blijft bestaan na reductie. Deze defecten zijn ook te zien in Raman spectra van grafeenoxide.

Grote hoeveelheden grafeenvellen kunnen ook worden geproduceerd met thermische methoden. Zo werd in 2006 een methode ontdekt die gelijktijdig grafietoxide exfolieert en reduceert door snelle verhitting (>2000 °C/min) tot 1050 °C. Bij deze temperatuur komt kooldioxide vrij als de zuurstoffunctionaliteiten worden verwijderd en de vellen explosief worden gescheiden als het naar buiten komt.

Het blootstellen van een film van grafietoxide aan de laser van een LightScribe DVD heeft ook aangetoond om grafeen van hoge kwaliteit te produceren tegen een lage kostprijs.

Grafeenoxide is ook gereduceerd tot grafeen in situ, met behulp van een 3D-geprint patroon van gemanipuleerde E. coli-bacteriën.

WaterzuiveringEdit

Grafietoxiden werden bestudeerd voor de ontzilting van water met behulp van omgekeerde osmose beginnend in de jaren zestig. In 2011 werd aanvullend onderzoek vrijgegeven.

In 2013 kondigde Lockheed Martin hun Perforene grafeenfilter aan. Lockheed beweert dat het filter de energiekosten van omgekeerde osmose-ontzilting met 99% vermindert. Lockheed beweerde dat het filter 500 keer dunner was dan het beste filter dat toen op de markt was, duizend keer sterker en 1% van de druk nodig heeft. Het product zou pas in 2020 op de markt komen.

Een andere studie toonde aan dat grafietoxide zo kon worden gemanipuleerd dat het water doorlaat, maar enkele grotere ionen tegenhoudt. Smalle capillairen maken snelle permeatie door mono- of bilaagwater mogelijk. Meerlagige laminaten hebben een structuur die lijkt op die van parelmoer, wat zorgt voor mechanische sterkte in watervrije omstandigheden. Helium kan de membranen niet passeren in vochtvrije omstandigheden, maar dringt gemakkelijk door wanneer het aan vocht wordt blootgesteld, terwijl waterdamp zonder weerstand passeert. Droge laminaten zijn vacuümdicht, maar ondergedompeld in water fungeren ze als moleculaire zeven, die sommige oplosmiddelen tegenhouden.

Een derde project produceerde grafeenvellen met poriën op subnanoschaal (0,40 ± 0,24 nm). Het grafeen werd gebombardeerd met galliumionen, die de koolstofverbindingen verbreken. Door het resultaat te etsen met een oxiderende oplossing ontstaat een gat op elke plek die door een galliumion is getroffen. De duur van het verblijf in de oxiderende oplossing bepaalde de gemiddelde poriëngrootte. De poriëndichtheid bereikte 5 triljoen poriën per vierkante centimeter, terwijl de structurele integriteit behouden bleef. De poriën lieten kationen transport toe bij korte oxidatietijden, consistent met elektrostatische afstoting van negatief geladen functionele groepen aan de randen van de poriën. Bij langere oxidatietijden waren de vellen doorlaatbaar voor zout, maar niet voor grotere organische moleculen.

In 2015 creëerde een team een grafeenoxidethee die in de loop van een dag 95% van de zware metalen in een wateroplossing verwijderde

Eén project legde koolstofatomen in een honingraatstructuur, waardoor een zeshoekig kristal werd gevormd dat ongeveer 0,1 millimeter breed en lang was, met subnanometer gaten. Later werk verhoogde de membraangrootte tot in de orde van enkele millimeters.

Grafeen bevestigd aan een polycarbonaat draagstructuur was aanvankelijk effectief bij het verwijderen van zout. Er vormden zich echter defecten in het grafeen. Het vullen van grotere defecten met nylon en kleine defecten met hafniummetaal gevolgd door een laag oxide herstelde het filtratie-effect.

In 2016 ontwikkelden ingenieurs op grafeen gebaseerde films die vuil/zout water kunnen filteren aangedreven door de zon. Bacteriën werden gebruikt om een materiaal te produceren dat bestaat uit twee nanocelluloselagen. De onderste laag bevat ongerepte cellulose, terwijl de bovenste laag cellulose en grafeenoxide bevat, dat zonlicht absorbeert en warmte produceert. Het systeem zuigt water van onderaf in het materiaal. Het water diffundeert in de bovenste laag, waar het verdampt en eventuele verontreinigingen achterlaat. Het verdampte water condenseert aan de bovenkant, waar het kan worden opgevangen. De film ontstaat door herhaaldelijk een vloeibare laag toe te voegen die hard wordt. Bacteriën produceren nanocellulosevezels met daartussen grafeenoxideschilfers. De film is licht en gemakkelijk op schaal te vervaardigen.

CoatingEdit

Optisch transparante, meerlaagse films gemaakt van grafeenoxide zijn ondoordringbaar onder droge omstandigheden. Blootgesteld aan water (of waterdamp), laten ze moleculen onder een bepaalde grootte door. De films bestaan uit miljoenen willekeurig gestapelde vlokken, met daartussen haarvaten van nanogrootte. Door deze nanocapillairen te sluiten met behulp van chemische reductie met waterstofjoodzuur ontstaan “gereduceerde grafeenoxidefolies” (r-GO) die volledig ondoordringbaar zijn voor gassen, vloeistoffen of sterke chemicaliën met een dikte van meer dan 100 nanometer. Glaswerk of koperen platen bedekt met een dergelijke grafeen “verf” kan worden gebruikt als containers voor bijtende zuren. Met grafeen gecoate plastic films zouden kunnen worden gebruikt in medische verpakkingen om de houdbaarheid te verbeteren.

Gerelateerde materialenEdit

Grafeenoxideschilfers kunnen ook uit de dispersie worden gezeefd (zoals bij papierfabricage) en geperst om een buitengewoon sterk grafeenoxidepapier te maken.

Grafeenoxide is gebruikt in DNA-analysetoepassingen. Het grote vlakke oppervlak van grafeenoxyde maakt gelijktijdige quenching van meerdere DNA-sondes gelabeld met verschillende kleurstoffen, waardoor de detectie van meerdere DNA-doelen in dezelfde oplossing. Verdere vooruitgang in DNA-sensoren op basis van grafeenoxide zou kunnen resulteren in zeer goedkope snelle DNA-analyse. Onlangs ontdekte een groep onderzoekers van de universiteit van L’Aquila (Italië) nieuwe bevochtigingseigenschappen van grafeenoxide dat thermisch werd gereduceerd in ultrahoog vacuüm tot 900 °C. Zij vonden een correlatie tussen de chemische samenstelling van het oppervlak, de vrije energie van het oppervlak en de polaire en dispersieve componenten, die een verklaring geven voor de bevochtigingseigenschappen van grafeenoxide en gereduceerd grafeenoxide.

Flexibele oplaadbare batterij-elektrodeEdit

Grafeenoxide is gedemonstreerd als een flexibel vrijstaand anodemateriaal voor lithium-ion- en natrium-ionbatterijen bij kamertemperatuur. Het wordt ook bestudeerd als een geleidende stof met een hoog oppervlak in lithium-zwavelbatterijkathoden. De functionele groepen op grafeenoxide kunnen dienen als plaatsen voor chemische modificatie en immobilisatie van actieve stoffen. Deze benadering maakt het mogelijk hybride architecturen voor elektrodematerialen te creëren. Recente voorbeelden hiervan zijn toegepast in lithium-ion batterijen, die bekend staan om hun heroplaadbaarheid ten koste van een lage capaciteitslimiet. Bij recent onderzoek is gebleken dat composieten op basis van grafeenoxide, gefunctionaliseerd met metaaloxiden en sulfiden, de prestaties van batterijen verbeteren. Dit is ook aangepast voor toepassingen in supercondensatoren, aangezien de elektronische eigenschappen van grafeenoxide het mogelijk maken enkele van de meer gangbare beperkingen van typische overgangsmetaaloxide-elektroden te omzeilen. Het onderzoek op dit gebied is nog in volle ontwikkeling, met aanvullend onderzoek naar methoden waarbij stikstofdopering en pH-aanpassing worden gebruikt om de capaciteit te verbeteren. Bovendien wordt momenteel onderzoek verricht naar gereduceerde grafeenoxidefolies, die superieure elektronische eigenschappen vertonen die verwant zijn aan zuiver grafeen. Verminderde grafeenoxide toepassingen sterk verhoogt de geleidbaarheid en efficiëntie, terwijl het opofferen van enige flexibiliteit en structurele integriteit.

Grafeenoxide lensEdit

De optische lens speelt al sinds zijn uitvinding zo’n 3000 jaar geleden een cruciale rol in bijna alle gebieden van wetenschap en technologie. Met de vooruitgang op het gebied van micro- en nanofabricagetechnieken is er steeds vraag geweest naar verdere miniaturisering van de conventionele optische lenzen voor diverse toepassingen, zoals communicatie, sensoren, gegevensopslag en een breed scala van andere door technologie en consumenten gestuurde industrieën. Meer bepaald is er een grote behoefte aan steeds kleinere afmetingen en dunnere diktes van microlenzen voor subgolflengte-optiek of nano-optiek met extreem kleine structuren, vooral voor zichtbare en nabije-IR-toepassingen. Ook, als de afstand schaal voor optische communicatie krimpt, worden de vereiste feature maten van microlenzen snel naar beneden gedrukt.

Recently, de uitstekende eigenschappen van nieuw ontdekte grafeenoxide bieden nieuwe oplossingen om de uitdagingen van de huidige planaire focus apparaten te overwinnen. Specifiek, reusachtige brekingsindex modificatie (zo groot als 10 ^ 1), dat is een orde van grootte groter dan de huidige materialen, tussen grafeenoxide (GO) en gereduceerde grafeenoxide (rGO) zijn aangetoond door dynamisch manipuleren van het zuurstofgehalte met behulp van directe laser schrijven (DLW) methode. Als gevolg hiervan kan de totale dikte van de lens met meer dan tien keer worden verminderd. Ook blijkt de lineaire optische absorptie van GO toe te nemen naarmate de reductie van GO dieper wordt, wat resulteert in transmissiecontrast tussen GO en rGO en daardoor een amplitudemodulatiemechanisme oplevert. Bovendien blijken zowel de brekingsindex als de optische absorptie dispersieloos te zijn over een breed golflengtebereik van zichtbaar tot nabij infrarood. Ten slotte biedt GO-film flexibele patroonmogelijkheid met behulp van de maskerloze DLW-methode, die de productiecomplexiteit en -vereisten vermindert.

Als gevolg hiervan is onlangs een nieuwe ultradunne vlakke lens op een GO-dunne film gerealiseerd met behulp van de DLW-methode. Het duidelijke voordeel van de GO vlakke lens is dat fasemodulatie en amplitudemodulatie gelijktijdig kunnen worden bereikt, die worden toegeschreven aan de reusachtige brekingsindexmodulatie en de variabele lineaire optische absorptie van GO tijdens het reductieproces, respectievelijk. Door het verbeterde vermogen om het golffront vorm te geven, wordt de dikte van de lens teruggebracht tot de subgolflengteschaal (~200 nm), wat dunner is dan alle huidige diëlektrische lenzen (~ µm schaal). De scherpstelintensiteit en de brandpuntsafstand kunnen effectief worden geregeld door respectievelijk het laservermogen en de lensdikte te variëren. Door het gebruik van olie-immersie hoge NA objectief tijdens DLW proces, 300 nm fabricage kenmerk grootte op GO film is gerealiseerd, en dus de minimale lens grootte is gekrompen tot 4,6 µm in diameter, dat is de kleinste planaire microlens en kan alleen worden gerealiseerd met metasurface door FIB. Daarna kan de brandpuntsafstand worden teruggebracht tot zo klein als 0,8 µm, die mogelijk zou verhogen de numerieke apertuur (NA) en de scherpstelling resolutie.

De full-width at half-maximum (FWHM) van 320 nm op de minimale brandpuntsafstand met 650 nm input bundel is experimenteel aangetoond, wat overeenkomt met de effectieve numerieke apertuur (NA) van 1,24 (n=1,5), de grootste NA van de huidige microlenzen. Bovendien is met dezelfde planaire lens ultrabreedbandfocus mogelijk van 500 nm tot 2 µm, wat nog steeds een grote uitdaging is voor infraroodfocus vanwege de beperkte beschikbaarheid van geschikte materialen en fabricagetechnologie. Het belangrijkste is dat de gesynthetiseerde GO dunne films van hoge kwaliteit flexibel kunnen worden geïntegreerd op verschillende substraten en gemakkelijk kunnen worden vervaardigd met behulp van de DLW-methode in één stap over een groot gebied tegen vergelijkbare lage kosten en vermogen (~nJ/puls), waardoor de GO vlakke lenzen uiteindelijk veelbelovend zijn voor verschillende praktische toepassingen.

EnergieconversieEdit

Fotokatalytische watersplitsing is een kunstmatig fotosyntheseproces waarbij water wordt gesplitst in waterstof (H2) en zuurstof (O2), met behulp van kunstmatig of natuurlijk licht. Methoden zoals fotokatalytische watersplitsing worden momenteel onderzocht om waterstof te produceren als een schone energiebron. De superieure elektronenmobiliteit en het grote oppervlak van grafeenoxideglasplaten suggereren dat het kan worden toegepast als katalysator die aan de vereisten voor dit proces voldoet. Met name de functionele groepen epoxide (-O-) en hydroxide (-OH) in de samenstelling van grafeenoxide maken een flexibelere regeling van het watersplitsingsproces mogelijk. Deze flexibiliteit kan worden gebruikt om de bandkloof en de bandposities die worden nagestreefd bij fotokatalytische watersplitsing aan te passen. Recente onderzoeksexperimenten hebben aangetoond dat fotokatalytische activiteit van grafeenoxide met een bandkloof binnen de vereiste grenzen effectieve splijtingsresultaten heeft opgeleverd, vooral bij gebruik met 40-50% dekking bij een 2:1 hydroxide:epoxide verhouding. Bij gebruik in composietmaterialen met CdS (een typische katalysator gebruikt in fotokatalytische watersplitsing), is aangetoond dat grafeenoxide nanocomposieten een verhoogde waterstofproductie en kwantumefficiëntie vertonen.

WaterstofopslagEdit

Grafeenoxide wordt ook onderzocht voor zijn toepassingen in waterstofopslag. Waterstofmoleculen kunnen worden opgeslagen tussen de op zuurstof gebaseerde functionele groepen die overal in de plaat voorkomen. Dit vermogen tot waterstofopslag kan verder worden gemanipuleerd door de afstand tussen de lagen te moduleren, alsmede door veranderingen aan te brengen in de poriegrootte. Onderzoek naar de decoratie van overgangsmetalen op koolstofsorbentia om de waterstofbindende energie te verbeteren, heeft geleid tot experimenten met titaan en magnesium die verankerd zijn aan hydroxylgroepen, waardoor meerdere waterstofmoleculen kunnen worden gebonden.