Графен представляет собой двумерный кристалл, состоящий из атомов
углерода, расположенных в гексагональной решётке. Толщина одного слоя
составляет всего 0,34 нм, что обеспечивает материалу исключительную
лёгкость при высокой механической прочности. Графен обладает:
- Высокой электрической проводимостью, обусловленной
делокализованными π-электронами, что делает его перспективным для
электронных и сенсорных устройств.
- Теплопроводностью до 5000 Вт/(м·К), превышающей
показатели большинства известных материалов.
- Механической прочностью порядка 130 ГПа, что
позволяет использовать его в армирующих композитах.
- Оптической прозрачностью около 97–98%, что делает
графен удобным для прозрачных электродов и гибкой электроники.
Особое значение имеет химическая инертность базового графена, которая
позволяет вводить функциональные группы для модификации его свойств без
разрушения кристаллической структуры.
Производные графена
Производные графена включают графеновые оксиды (GO), восстановленный
графеновый оксид (rGO), допированные графены и функционализированные
нанокомпозиты. Каждый тип обладает уникальными химическими и физическими
характеристиками.
Графеновый оксид (GO):
- Содержит кислородсодержащие функциональные группы (гидроксильные,
эпоксидные, карбоксильные), обеспечивающие гидрофильность и высокую
адсорбционную способность.
- Позволяет растворять графен в полярных растворителях, создавая
возможность для массового синтеза композитов.
- Играет ключевую роль в биомедицинских приложениях, катализе и
очистке воды.
Восстановленный графеновый оксид (rGO):
- Получается химическим, термическим или электрохимическим
восстановлением GO.
- Сохраняет часть кислородных групп, что позволяет регулировать
проводимость и поверхностную активность.
- rGO широко используется в суперконденсаторах, литий-ионных батареях
и гибких электронных устройствах.
Допированные и функционализированные графены:
- Допирование атомами азота, бора или фосфора изменяет электронную
плотность и химическую реакционную способность графена.
- Функционализация органическими молекулами или полимерами улучшает
совместимость с матрицами композитов, увеличивая механическую прочность
и химическую стабильность.
Методы синтеза графена
и его производных
Механическое расщепление:
- Позволяет получать высококачественные кристаллы графена с
минимальным количеством дефектов.
- Ограничен малыми масштабами производства.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD):
- Обеспечивает формирование монослойных или многослойных графенов на
металлических подложках.
- Позволяет контролировать толщину, ориентацию кристаллов и качество
материала.
Окисление-Восстановление (Hummers метод и
модификации):
- Применяется для массового производства графенового оксида.
- Восстановление GO позволяет получить rGO с регулируемой
проводимостью.
Экспоненциальное деление графитовых пластин в жидкой
фазе:
- Использует ультразвуковую обработку или интеркалирование молекул
между слоями графита.
- Обеспечивает относительно низкозатратное производство многослойного
графена и его композитов.
Химическая
функционализация и модификация
Ковалентная функционализация:
- Привлечение органических радикалов к атомам углерода графена через
реакции присоединения или замещения.
- Изменяет электронные свойства и повышает совместимость с полимерными
матрицами.
Нековалентная функционализация:
- Основана на π–π взаимодействиях, ван-дер-ваальсовых силах или
электростатическом притяжении.
- Сохраняет электронную структуру графена, что важно для сенсорных и
оптоэлектронных приложений.
Методы допирования:
- Азотное, борное и фосфорное допирование создаёт локальные дефекты и
изменяет электропроводность.
- Широко используется в катализе и разработке электрохимических
устройств.
Применение графена и его
производных
Электроника и сенсорика:
- Графеновые транзисторы и гибкие сенсоры обеспечивают высокую
чувствительность и быстродействие.
- rGO используется в прозрачных электродах для солнечных элементов и
OLED.
Энергетика:
- Использование в суперконденсаторах и аккумуляторах позволяет
увеличить ёмкость и циклическую стабильность.
- Допированные графены применяются в каталитических электродах для
топливных элементов.
Композиционные материалы:
- Введение графена в полимеры, металлы или керамику повышает
механическую прочность, теплопроводность и химическую стойкость.
- GO и rGO служат эффективными наполнителями для лёгких и прочных
нанокомпозитов.
Биомедицина и экология:
- Графеновые оксиды используются для доставки лекарств, тканевой
инженерии и детоксикации воды.
- Высокая адсорбционная способность GO делает его перспективным для
очистки воды и газовой фильтрации.
Проблемы и перспективы
развития
Основные вызовы включают массовое производство качественного графена
с минимальными дефектами, точную химическую модификацию и стабильность
материалов в различных средах. Перспективы связаны с интеграцией графена
в высокопроизводительные электрохимические устройства, нанокомпозиты
нового поколения, биомедицинские приложения и каталитические
системы.
Развитие методов функционализации, контроль толщины слоев и дефектов,
а также разработка комбинированных синтетических подходов позволят
расширить спектр применения графена и повысить эффективность его
использования в современной нанохимии.