Các nhà khoa học đã khám phá ra lý do tại sao graphene oxit không chỉ cháy ở nhiệt độ cao mà còn mở ra cơ hội cho một phương pháp sản xuất graphene đầy hứa hẹn và rẻ tiền. Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Carbon.
Đã hơn một thập kỷ kể từ khi giải thưởng Nobel được trao cho nghiên cứu thực nghiệm về graphene, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa tìm ra cách thu được graphene diện rộng, chất lượng cao, rẻ, hiệu quả và có thể mở rộng đủ để đáp ứng nhu cầu công nghiệp. nhu cầu. Việc khử graphene từ graphene oxit bằng chiếu xạ laser dường như là một phương pháp đầy hứa hẹn: Bằng cách sử dụng các phương pháp hóa học để điều chế graphene oxit từ than chì thông thường, công nghệ khử có sự hỗ trợ của laser hứa hẹn rất nhiều về mặt chi phí và khả năng kiểm soát chất lượng vật liệu.
Một vài năm trước, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Skoltech đã phát hiện ra rằng graphene oxit có thể được nung nóng đến 3300-3800 K, ngay cả trong điều kiện khí quyển, để tạo ra graphene có chất lượng khá cao.
Nikita Orekhov cho biết: "Kết quả này khiến các đồng nghiệp của chúng tôi ngạc nhiên: nhiệt độ rất cao nhưng họ thu được vật liệu có cấu trúc tốt. Vật liệu carbon dễ dàng cháy trong oxy trong khí quyển ở mức 600-800 K hoặc cao hơn, trong khi ở các thí nghiệm ở nhiệt độ cao hơn, graphene đạt được những đặc tính cấu trúc tốt." Nikita Orekhov, phó giám đốc Phòng thí nghiệm phương pháp siêu máy tính vật lý vật chất ngưng tụ của MIT, cho biết: “Để tìm ra nguyên nhân gây ra hiệu ứng bất ngờ này, chúng tôi quyết định nghiên cứu quá trình khử graphene oxit ở nhiệt độ cao bằng mô hình nguyên tử siêu máy tính và tiến hành bổ sung nghiên cứu theo thiết kế thử nghiệm của các đồng nghiệp của chúng tôi."
Dưới tác động của xung laser, các nguyên tử carbon được đánh dấu màu đỏ ở ranh giới của tấm graphene “cháy hết”. B – Ở vùng trung tâm của tấm graphene xảy ra quá trình ủ: graphene được sắp xếp theo cấu trúc ổn định đúng đắn.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, một mặt, ở nhiệt độ cao (T > 3000k) các nguyên tử oxy trong môi trường khí tương tác với graphene, oxy hóa và phá hủy nó. Mặt khác, quá trình ủ nhanh của mạng tinh thể bắt đầu ở cùng nhiệt độ, điều này cho phép loại bỏ các khuyết tật. Trong quá trình ủ, cấu trúc mạng tinh thể thẳng ra chứ không tan rã.
Đường cong nhiệt độ và tỷ lệ I(G)/I(D) của mảng rGO giảm ở các tốc độ laser và tốc độ lặp lại xung khác nhau.
"Hóa ra là hai quá trình trái ngược nhau xảy ra đồng thời tại các vị trí khác nhau của vật liệu tiếp xúc với xung laser: quá trình đốt cháy hoặc phá hủy tập trung gần các khuyết tật và ranh giới của các tấm graphene, nơi các nguyên tử carbon có hoạt động hóa học tích cực nhất, trong khi ủ xảy ra chủ yếu ở trung tâm của tấm, nơi các nguyên tử có xu hướng trở lại cấu hình ổn định." Stanislav Evlashin, nhà khoa học nghiên cứu chính tại Trung tâm Công nghệ Vật liệu (CMT) của Skoltech.
Những phát hiện này đã làm sáng tỏ cách thức hoạt động của graphene oxit ở nhiệt độ khắc nghiệt, nơi mà các thí nghiệm trực tiếp gần như không thể thực hiện được. Hiểu được quy trình được mô tả trong bài viết này có thể giúp phát triển và tối ưu hóa hơn nữa các phương pháp thu được graphene chất lượng cao đơn tinh thể có diện tích lớn.
Cấu trúc nguyên tử (a) và sơ đồ trạng thái nhiệt (b) của GO. Sự tiến hóa theo thời gian của tổng số nguyên tử (c), số nguyên tử carbon (d) và số nguyên tử oxy (e) trong quá trình mô phỏng ở các nhiệt độ khác nhau. Các nguyên tử carbon, oxy và hydro lần lượt được thể hiện bằng màu xanh lam, đỏ và xám.
Nguồn:Cơ chế khử laser graphene oxit ở điều kiện môi trường xung quanh:Nghiên cứu thực nghiệm và ReaxFF, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018;Việc khử tia laser có thể điều khiển của màng oxit graphene cho các ứng dụng quang điện tử, Vật liệu và giao diện ứng dụng ACS (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145