Óxido de grafito

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Estructura propuesta en 1998[1] con grupos funcionales. A: Puentes epóxido, B: Grupos hidroxilo, C:Grupos carboxilo emparejados.
Fórmula Decany
Fórmula Nakajima-Matsuo
Fórmula de Ruess
Fórmula Scholtz-Boehm
Una hoja de grafeno. Se pueden apreciar varios grupos funcionales oxigenados. La cantidad de grupos funcionales depende del método de síntesis(Estructura de Lerf-Klinovskij)
Modelo estructural de Hoffman

Óxido de grafito, formalmente llamado óxido grafítico o ácido grafítico, es un compuesto de carbono, oxígeno, e hidrógeno en proporciones variables, obtenido tras el tratamiento de grafito con un oxidante fuerte. El producto con mayor grado de oxidación es un sólido amarillo con un ratio C:O entre 2.1 y 2.9, que mantiene la estructura en capas del grafito pero con un espacio entre capas mucho más grande e irregular.[2] El óxido de grafito en medio básico se dispersa en forma de hojitas monomeloculares conocidas como "Óxido de grafeno" por analogía con el grafeno, que es una única capa de grafito.[3] El óxido de grafeno en forma de láminas ha sido empleado para fabricar un material muy resistente y que recientemente ha atraído la atención como una posible fuente de obtención de grafeno. Sin embargo, este método, cuyos primeros resultados se alcanzaron en 2012, proporciona grafeno con una estructura muy defectuosa.

Historía y obtención[editar]

El óxido de grafito fue sintetizado por primera vez por el químico Benjamin C. Brodie en Oxford en 1859, tratando grafito con una mezcla de clorato de potasio y ácido nitrico fumante.[4] En 1957 Hummers y Offeman desarrollaron un método más seguro, rápido, y eficiente usando una mezcla de ácido sulfúrico H2SO4, nitrato de sodio NaNO3, y permanganato potásico KMnO4, que sigue siendo ampliamente usado, a menudo con modificaciones.[5] [6]

Cabe destacar que los óxidos de grafito tienen propiedades físicas y químicas distintas dependeiendo del grado de oxidación del grafito y el método de obtención. Por ejemplo, la temperatura de exfoliacion explosiva es en general más alta para el grafito obtenido mediante el método de Brodie en comparación con preparado según el método de Hummers. La diferencia llega a ser de 100 grados con el mismo calentamiento.[7] Las propiedades de hidratación y solvatación del los óxido de grafito de Brodie y Hummers también son notablemente distintas.[8]


Recientemente una mezcla de H2SO4 y KMnO4 ha sido usada para abrir nanotubos de carbono a lo largo, dando lugar a cintas planas de grafeno de varios átomos de ancho, con los bordes cerrados con átomos de oxígeno(=O) o grupos hidroxilo (-OH).[9] El óxido de grafeno también se puede preparar por el método de "Tan-Lau" en el que se utiliza glucosa. Este método es más seguro, simple y ecológico en comparación con las reacciones tradicionales en las que se usan oxidantes fuertes. Otra gran ventaja del método Tan-Lau es la posibilidad de controlar fácilmente el grosor del las láminas del producto.[10]

Estructura[editar]

Aunque la estructura y propiedades del óxido de grafito dependen del método de obtención y el grado de oxidación. Normalmente se conserva la estructura de las capas de la materia prima, pero las láminas están separadas entre sí por el doble de distancia. (~0.7 nm) que en el grafito. Estríctamente hablando, "óxido" es un nombre incorrecto pero históricamente asentado. Además de grupos de oxígeno epóxido (átomos puente de oxígeno), se han hallado experiemntalemnte los siguientes grupos funcionales: carbonilo (=CO), hidroxilo (-OH), fenol y grupos organosulfurados enlazados por ambos lados[11] [12] El óxido de grafito es muy hidrofílico y es fácilmente hidratable si se expone a vapor de agua o se sumerge en agua, conduciendo a un aumento de la distancia interlaminar (hasta 1.2 nm en estado saturado). El estado de hidratación máximo del óxido de grafito en agua líquida corresponde a 3 capas de agua entre capas sucesivas de grafeno, el enfriamiento de muestras de óxido de grafito hidratado da lugar a una expansión térmica pseudonegativa.[13] La eliminación completa del agua del óxido de grafito es muy complicada debido a que se produce una descomposicón y degradación parcial entre 60 y 80ºC.

Al igual que el agua, el óxido de grafito puede también incorporar fácilmnte otros disolventes polares como los alcoholes.Sin embargo, la intercalación ocurre de forma distinta en los óxido de grafito obtenidos por el proceso de Brodie o de Hummers. En el caso del óxido de grafito de Brodie una capa de alcohol u otros disloventes polares se intercala detre dos capas de óxido. (por ejemplo, la dimetilformamida y la acetona) cuando el dislovente líquido está disponible en exceso. La separación entre las capas de grafeno es proporcional al tamaño de la molécula del alcohol.[14]

El óxido de grafito de Hummers puede ser intercalado por dos capas de metanol o etanol a temperatura ambiente. La distancie entre capas en un medio con exceso de metanol o etanol aumenta con el descenso de la temperatura, alcanzando 19.4 y 20.6 Å a 140 K para el metanol y el etanol, respectivamente. La expansión gradual del óxido de grafito de Hummers corresponde a la inserción de al menos otras dos capas de disolvente.[15]

El óxido de grafito descompone rápidamente cuando se calienta a temperaturas moderadamente altas (~280–300 °C) formando carbono amorfo, parecido al carbón activado.[16]

Exfoliación del óxido de grafito a altas temperaturas.[17]

Usos[editar]

Supercondensadores[editar]

El hidróxido de potasio reestructura el óxido de grafito creando un sólido tridimensional poroso. Cada una de sus caras tiene el grosor de un átomo y la superficie del óxido de grafito "activado" llega a ser de 3100 m2/g. El material tiene también una gran conductividad. El díametro de la mayor parte de los poros ronda los 0,6-5nm. Experimentalmente, un supercondensador construido empelando este material ha dado un buen rendimiento. Tras 10000 ciclos de carga y descarga el supercondensador conservaba el 97% de su capacidad inicial.

Papel superresistente[editar]

Al disolver el óxido de grafito en agua, este se separa en láminas de grafeno. La disolución obtenida se filtra con la ayuda de una membrana especial en la que las capas de grafeno se vuelven juntar en una estructura más resistente que en el grafito. Las capas del grafito normal suelen estar débilmente unidas,[18] pero en el papel de grafeno las capas se entrelazan ente sí lo que permite distribuir los esfuerzos por igual por toda la estructura, haciéndola más resistente. La forma en la que se entrelazan las distintas capas de grafeno permite un ligero movimiento de éstas haciendo que el material sea flexible. Lo que es más importante, se puede manipular químicamente las propiedades de este tipo de papel. Reduciendo la cantidad de átomos de oxígeno en las capas, se puede incrementar la conductividad eléctrica.

Investigación del ADN[editar]

La gran superficie plana del óxido de grafito permite investigar al mismo tiempo varias sondas de hibridación marcadas con distintos colorantes haciendo posible el hallazgo de varios objetivos de ADN en la misma disolución.La investigación futura puede dar como resultado un nuevo método de análisis de ADN más rápido y barato.[19]

Purificación del agua[editar]

Uno de los usos sugeridos del óxido de grafito es la eliminación del agua de contaminantes indeseables.[20] El óxido de grafito de Brodie ha demostrado absorber selectivamente el metanol de mezclas metanol/agua en cierto rango de concentraciones de metanol.[21]

Referencias[editar]

  1. He, H.; Klinowski, J.; Forster, M.; Lerf, A. (1998). "A new structural model for graphite oxide". Chemical Physics Letters 287: 53.
  2. Hummers, W. S.; Offeman, R. E. (1958). "Preparation of Graphitic Oxide". Journal of the American Chemical Society 80 (6): 1339
  3. Dreyer, D. R.; Park, S.; Bielawski, C. W.; Ruoff, R. S. (2010). "The chemistry of graphene oxide". Chemical Society Reviews 39 (1): 228–240.
  4. Brodie, B. C. (1859). "On the Atomic Weight of Graphite" . Philosophical Transactions of the Royal Society of London 149: 249.
  5. Hummers, W. S.; Offeman, R. E. (1958). "Preparation of Graphitic Oxide". Journal of the American Chemical Society 80 (6): 1339.
  6. Marcano, D. C.; Kosynkin, D. V.; Berlin, J. M.; Sinitskii, A.; Sun, Z.; Slesarev, A.; Alemany, L. B.; Lu, W.; Tour, J. M. (2010). "Improved Synthesis of Graphene Oxide". ACS Nano 4 (8): 4806–4814.
  7. Boehm, H. -P.; Scholz, W. (1965). "Der ?Verpuffungspunkt? Des Graphitoxids". Zeitschrift f�r anorganische und allgemeine Chemie 335: 74.
  8. You, S.; Luzan, S. M.; Szabó, T. S.; Talyzin, A. V. (2013). "Effect of synthesis method on solvation and exfoliation of graphite oxide". Carbon 52: 171.
  9. Kosynkin, D. V.; Higginbotham, A. L.; Sinitskii, A.; Lomeda, J. R.; Dimiev, A.; Price, B. K.; Tour, J. M. (2009). "Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons". Nature 458 (7240): 872–876.
  10. Tang L., Li X., Ji R., Teng K. S., Tai G., Ye J., Wei C., Lau S. P. (2012). «Bottom-up synthesis of large-scale graphene oxide nanosheets». J. Mater. Chem:  pp. 5676—5683. doi:10.1039/C2JM15944A. 
  11. Pandey, D.; Reifenberger, R.; Piner, R. (2008). "Scanning probe microscopy study of exfoliated oxidized graphene sheets". Surface Science 602 (9): 1607.
  12. Eigler, S.; Dotzer, C.; Hof, F.; Bauer, W.; Hirsch, A. (2013). "Sulfur Species in Graphene Oxide". Chemistry - A European Journal 19 (29): 9490.
  13. You, S.; Luzan, S. M.; Szabó, T. S.; Talyzin, A. V. (2013). "Effect of synthesis method on solvation and exfoliation of graphite oxide". Carbon 52: 171.
  14. Talyzin, A. V.; Sundqvist, B.; Szabó, T. S.; DéKáNy, I.; Dmitriev, V. (2009). "Pressure-Induced Insertion of Liquid Alcohols into Graphite Oxide Structure". Journal of the American Chemical Society 131 (51): 18445–18449.
  15. You, S.; Sundqvist, B.; Talyzin, A. V. (2013). "Enormous Lattice Expansion of Hummers Graphite Oxide in Alcohols at Low Temperatures". ACS Nano 7 (2): 1395–1399.
  16. Talyzin, A. V.; Szabó, T. S.; DéKáNy, I.; Langenhorst, F.; Sokolov, P. S.; Solozhenko, V. L. (2009). "Nanocarbons by High-Temperature Decomposition of Graphite Oxide at Various Pressures". The Journal of Physical Chemistry C 113 (26): 11279.
  17. Log in om een reactie te plaatsen (03-02-2011). «Graphite oxide exfoliation by heating: exlplosion with fire». YouTube. Consultado el 18-03-2013.
  18. Tang, L.; Li, X.; Ji, R.; Teng, K. S.; Tai, G.; Ye, J.; Wei, C.; Lau, S. P. (2012). "Bottom-up synthesis of large-scale graphene oxide nanosheets". Journal of Materials Chemistry 22 (12): 5676. doi:10.1039/C2JM15944A
  19. He S., Song B., Li D., Zhu C., Qi W., Wen Y., Wang L., Song S., Fang H., Fan C. (2010). «A Graphene Nanoprobe for Rapid, Sensitive, and Multicolor Fluorescent DNA Analysis». Advanced Functional Materials 20:  pp. 453—459. doi:10.1002/adfm.200901639. 
  20. Gao, W.; Majumder, M.; Alemany, L. B.; Narayanan, T. N.; Ibarra, M. A.; Pradhan, B. K.; Ajayan, P. M. (2011). "Engineered Graphite Oxide Materials for Application in Water Purification". ACS Applied Materials & Interfaces 3 (6): 1821
  21. You, S.; Yu, J.; Sundqvist, B.; Belyaeva, L. A.; Avramenko, N. V.; Korobov, M. V.; Talyzin, A. V. (2013). "Selective Intercalation of Graphite Oxide by Methanol in Water/Methanol Mixtures". The Journal of Physical Chemistry C 117 (4): 1963.

Enlaces[editar]