酸化グラフェン紙

酸化グラフェン紙、または酸化グラファイト紙は、酸化グラファイトから製造される材料です 。数マイクロメートルの厚さの酸化グラフェン紙のフィルムは、1960年代には酸化グラファイト膜、最近では酸化グラフェン膜とも呼ばれていました。これらの膜は、通常、酸化グラフェン溶液をゆっくりと蒸発させるか、ろ過法によって得られます。

この材料は、2次元グラフェンバックボーン[1]の固有の強度と、荷重を分散する織り交ぜた層構造により、 並外れた剛性と強度を備えています。

準備

出発物質は水分散型酸化グラフェン薄片である。この水性分散液を真空濾過して自立型箔を製造する。これらの箔の厚さは、通常0.1～50マイクロメートルの範囲である。用途に応じて、酸化グラフェン積層体は紙または膜と呼ばれる。自立型酸化グラフェン多層/積層体を作製する別の方法として、ドロップキャスティングまたはスピンコーティングを繰り返す方法がある。これらの薄片は化学的に結合する可能性があり、[要出典] 、新たな材料の開発につながる。出発物質と同様に、酸化グラフェン紙は電気絶縁体である。しかし、この特性を調整して、機械特性を犠牲にすることなく、紙を導体または半導体にすることができる可能性がある。[2]

プロパティ

V.コールシュッターとP.ヘニによるグラファイト酸化物紙の詳細な研究は1918年に遡る。[3]グラファイト酸化物膜の研究は、1960年に「グラフェン」という用語を考案したドイツの科学者ハンス＝ペーター・ベームによって行われた。「グラファイト酸化物とその膜特性」と題された論文では、厚さ0.05mmの「紙のような箔」の合成が報告されている。この膜は、ガス（窒素および酸素）は透過しないが、水蒸気は容易に透過し、グラファイト酸化物をインターカレーションできる他の溶媒も透過すると報告されている。また、この膜は「低分子量物質」も透過しないことが報告されている。

膜への水の透過は、グラファイト酸化物構造の膨潤により、個々のグラフェン酸化物層間に水が浸透する経路が可能になることに起因する。乾燥したグラファイト酸化物の層間距離は6.35Åと報告されているが、液体水中では11.6Åに増加する。注目すべきことに、この論文では希釈NaOH中の層間距離が無限大であるとも述べられており、溶液中の単層グラフェン酸化物シート上にグラファイト酸化物が分散していることが報告されている。この研究では、膜の水透過速度は0.1mg/分/平方cmと報告されている。水の拡散速度は1cm/時間と評価された。Boehmの論文では、グラファイト酸化物が陽イオン交換膜として使用できることも示されており、KCl、HCl、CaCl 2、MgCl 2、BaCl 2溶液中の浸透圧と膜電位の測定値が報告されている。また、膜はグラフェン酸化物層間を透過できるため、大きなアルカロイドイオンも透過すると報告されている。 [4]

2012年、ボームによって発見されたグラファイト酸化物膜の特性のいくつかが再発見されました。膜はヘリウムを透過しないものの、水蒸気は透過すると報告されました。[5]この研究は後に拡張され、いくつかの塩（例えばKCl、MgCl 2）が水溶液に浸漬されたグラフェン酸化物膜を透過することが実証されました。 [6]

グラフェン酸化物膜は、水の淡水化への応用について活発に研究されています。[7] 1960年の研究では、逆浸透装置で安定化グラフェン酸化物膜を使用したNaCl溶液の保持率が90%を超えることが報告されています。

参照

参考文献

  1. ^ Jon Cartwright (2007年7月25日). 「グラフェン酸化物を織り込んで『紙』にする」. Physics World.
  2. ^ 「酸化グラフェン紙が新たな種類の材料を生み出す可能性」Phys.org. 2007年7月25日.
  3. ^ V. コールシュッター; P. ヘニ (1918)。 「Zur Kenntnis des Graphitischen Kohlenstoffs und der Graphitsäure」。Z. Anorg.すべて。化学。105 (1): 121–144。土井:10.1002/zaac.19191050109。
  4. ^ HP Boehm; A. Clauss; U. Hoffmann (1960). 「グラファイト酸化物とその膜特性」. Journal de Chimie Physique . 58 (12): 110– 117. Bibcode :1961JCP....58..141B. doi :10.1051/jcp/1961580141.
  5. ^ RR Nair; HA Wu; PN Jayaram; IV Grigorieva; AK Geim (2012). 「ヘリウムリークタイトなグラフェンベース膜を介した水の非阻害透過」. Science . 335 (6067): 442– 444. arXiv : 1112.3488 . Bibcode : 2012Sci...335..442N. doi : 10.1126/science.1211694. PMID  22282806. S2CID  15204080.
  6. ^ RK Joshi; P. Carbone; FC Wang; VG Kravets; Y. Su; IV Grigorieva; HA Wu; AK Geim; RR Nair (2014). 「グラフェン酸化物膜を介した高精度・超高速分子ふるい」. Science . 343 (6172): 752– 754. arXiv : 1401.3134 . Bibcode :2014Sci...343..752J. doi :10.1126/science.1245711. PMID  24531966. S2CID  13154836.
  7. ^ ES Bober (1970).グラファイト酸化物を含む逆浸透膜に関する最終報告書. 米国内務省.
  • グラフェン酸化物紙が新たな材料を生み出す可能性（ノースウェスタン大学プレスリリース）
  • 酸化グラフェンを織り込んだ「紙」 (physicsworld.com)
  • スーパーペーパーだ！（ScienceNOWデイリーニュース）
  • グラフェンから作られた超強力紙（テクノロジーレビュー）
  • 炭素が超強力な紙を作る (Nature)
  • 酸化グラフェン紙製造技術概要
  • 製造方法に関する米国特許出願
  • 酸化グラフェン紙の作製と特性評価（Nature）
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