Funktionale Oberflächen von Kohlenstoffmaterialien

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Strahlenchemische Reduktion von Graphenoxid

Die Entdeckung des Graphens ist eine der bedeutendsten Ereignisse in der Chemie und Physik der Kohlenstoffmaterialien in den letzten Jahrzehnten. Für 2020 wird geschätzt, dass mehr als 50 % des globalen Marktes an Graphen-basierten Produkten auf reduziertes Gaphenoxid (RedGO) für die Verwendung in Superkondensatoren entfallen. Die effektivste Route, um kostengünstig qualitativ gutes Graphen in großen Mengen zu erhalten führt über die Reduktion von Graphenoxid (GO) in kolloidaler Suspension.

Nachteile bisheriger Verfahren umfassen hohe Giftigkeit und Explosionsrisiko (Hydrazin); zu hohe Kosten (Vitamin C oder HI), zu lange Verfahrenszeiten (40 h bei Gammaradiolyse), hohe Reaktionstemperaturen (> 90ºC), schwieriges Abfallmanagement und Probleme beim Hochskalieren. Durch die Elektronenbestrahlung wässriger GO Lösungen werden hoch reaktive Spezies, wie eaq– und H•, für die Reduktion erzeugt. Zusätzlich können stark oxidierende •OH Radikale in reduzierende Radikale (z.B. von Alkoholen) umgewandelt werden, mit Reduktionspotentialen in einem breiten Bereich (bis zu -2.0 V).

Vorteile:

  • Verfahren ergibt bei RT innerhalb weniger Minuten hoch qualitatives RedGO (30000 S/m)
  • Prozess ist umweltfreundlich und leicht skalierbar
  • Im Gegensatz zur Gammaradiolyse schnell und unter Luft durchführbar
  • Weitere strahlenchemische Modifizierung (Funktionalisierung) von RedGO mit freien Radikalen möglich

 

Bildung von Graphen durch die Elektronen-Bestrahlung mit einem 10 MeV Elektronenbeschleuniger. Die XPS-C1s - Spektren bestätigen den Abbau von C..O Bindungen (hell grün, rot, blau) beim Graphenoxid (a) während der reduktion zu Graphen (b).
TEM Bilder von (a) GO und (c) RedGO. SAED Muster von (b) GO und (d) RedGO.

Ausgewählte Publikationen

  • A. Kahnt, R. Flyunt, S. Naumov, W. Knolle, S. Eigler, R. Hermann, B. Abel
    Shedding light on the soft and efficient free radical induced reduction of graphene oxide: hidden mechanisms and energetics
    RSC Advances 6 (2016) 68835-68845
    DOI:10.1039/c6ra13085b

  • A. Kahnt, R. Flyunt, C. Laube, W. Knolle, S. Eigler, R. Hermann, S. Naumov, B. Abel
    How fast is the reaction of hydrated electrons with graphene oxide in aqueous dispersions?
    Nanoscale 7 (2015) 19432-19437
    DOI:10.1039/c5nr03444b

  • R. Flyunt, W. Knolle, A. Kahnt, A. Prager, A. Lotnyk, J. Malig, D. Guldi, B. Abel
    Mechanistic Aspects of the Radiation-Chemical Reduction of Graphene Oxide to Graphene-Like Materials
    Int. J. Radiat Biol. 90 (2014) 486-494
    https://doi.org/10.3109/09553002.2014.907934

  • R. Flyunt, W. Knolle, B. Abel, B. Rauschenbach
    Verfahren zur Herstellung von reduziertem Graphenoxid sowie damit hergestelltes reduziertes Graphenoxid und dessen Verwendung
    Patent DE 10 2012 024 329.4