Графен и двумерные материалы

Графен представляет собой одноатомный слой углеродных атомов, связанных в шестиугольную решётку с ковалентными σ-связями и делокализованными π-электронами. Эта двумерная структура обеспечивает уникальные физико-химические свойства: высокую механическую прочность, чрезвычайную термическую и электрическую проводимость, а также уникальные оптические характеристики. Атомная толщина и высокая удельная поверхность делают графен идеальной модельной системой для изучения поверхностных явлений.

Ключевые особенности графена:

• Модуль Юнга порядка 1 ТПа, обеспечивающий исключительную механическую стабильность.
• Электропроводность до 10^6 См/м благодаря высокой подвижности носителей заряда.
• Абсорбция света на уровне 2,3% на один слой, что позволяет использовать графен в оптоэлектронике.
• Химическая инертность к большинству реагентов при сохранении возможности функционализации краевых атомов и дефектов.

Методы получения и модификации графена

Существуют две основные стратегии синтеза: механическое или химическое разделение слоёв графита и прямой синтез на подложках.

Механическое отделение (exfoliation): Производится с помощью скотча или ультразвука, что обеспечивает получение высококачественных кристаллических слоёв. Ограничение метода — низкая масштабируемость.

Химическое восстановление оксида графена (GO): Графит окисляют до графен-оксидного состояния, после чего восстановление возвращает структуру графена. Этот метод позволяет получать большие площади материала, но сопровождается дефектами и остаточной функциональностью.

Химический осадительный рост (CVD): Металлические подложки (медь, никель) используются для каталитического роста слоёв графена из газообразных углеродсодержащих прекурсоров. Метод обеспечивает высокое качество и масштабируемость для промышленного применения.

Функционализация графена: Физическое адсорбирование молекул или химическая прививка функциональных групп на дефектные участки и края позволяет управлять гидрофобностью, электропроводностью, каталитической активностью и биосовместимостью материала.

Поверхностная химия и взаимодействие с веществами

Поверхностные свойства графена определяются электронным строением π-системы. Сильная делокализация электронов обеспечивает слабое взаимодействие с аполярными молекулами через ван-дер-ваальсовы силы, тогда как дефектные области и функциональные группы способны формировать ковалентные или донорно-акцепторные взаимодействия.

Адсорбционные процессы:

• Графен и его производные демонстрируют высокую адсорбционную способность к газам (CO2, NH3, NOx) и органическим молекулам, что делает их перспективными для сенсоров и каталитических систем.
• Энергия адсорбции зависит от наличия функциональных групп, дефектов и топологии поверхности.

Каталитическая активность: Дефектные участки и оксигенсодержащие группы на поверхности графена создают активные центры, способствующие реакциям окисления, гидрирования и фотокатализа. Подложка и многослойность материала влияют на кинетику реакций и селективность продуктов.

Двумерные материалы на основе графена

Помимо чистого графена, в последние годы активно изучаются его аналоги и гибридные двумерные материалы: борофен, фосфорен, MoS2, WS2 и другие переходные металл-дисульфиды.

Сравнительные особенности:

• Борофен отличается металлической проводимостью и высокой анизотропной механической прочностью.
• Фосфорен проявляет полупроводниковые свойства с узким и настраиваемым запрещённым энергетическим промежутком.
• MoS2 и WS2 имеют слоистую структуру с прямым запрещённым промежутком в монолистовой форме, что делает их перспективными для оптоэлектроники и фотокатализа.

Влияние поверхности на свойства:

• Толщина слоёв напрямую влияет на электронную структуру и, следовательно, на оптические и электрические характеристики.
• Химическая модификация поверхности позволяет регулировать гидрофильность, селективность адсорбции и каталитическую активность.

Методы изучения поверхности

Для анализа химических и физико-химических свойств графена и двумерных материалов применяются:

• Сканирующая туннельная микроскопия (STM) и атомно-силовая микроскопия (AFM) для топографических и электронных карт.
• Раман-спектроскопия для оценки дефектности, числа слоёв и напряжений в решётке.
• XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) для химического анализа поверхности и функциональных групп.
• Адсорбционные методы (BET) для измерения удельной поверхности и пористости.

Поверхностная химия графена и двумерных материалов формирует основу для создания наноструктурированных катализаторов, сенсоров, фильтров, а также для интеграции в гибкую электронику и энергоэффективные устройства. Контроль над структурой поверхности и химическими свойствами обеспечивает тонкую настройку функциональности этих материалов для конкретных технологических применений.