Fluorografen - Fluorographene - Wikipedia

Při pohledu shora viditelná struktura fluorografenu v konformaci křesla
Při pohledu ze strany fluorografen ve struktuře židle
Fluorografen
CF 1.png
Identifikátory
ChemSpider
  • žádný
Vlastnosti
CF1(.1)
Molární hmotnostVariabilní
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Fluorografen (nebo perfluorografan, grafenfluorid) je fluorouhlík derivát grafen.[1][2][3] Jedná se o dvourozměrný uhlíkový plech sp3 hybridizováno uhlíky,[4] s každým atomem uhlíku navázaným na jeden fluor. Chemický vzorec je (CF)
n. Ve srovnání s teflonem (polytetrafluorethylen ), - (CF2)n-, se skládá z uhlíkových „řetězců“, přičemž každý uhlík je vázán na dva fluory.

Na rozdíl od fluorografenu je to grafen nenasycené (sp2 hybridizováno ) a zcela uhlík. The uhlovodík analogem k fluorografenu je sp3 hybridizováno grafan. Podobně jako jiné fluorované uhlovodíky (např. perfluorhexan ), fluorografen je vysoce izolační. Fluorografen je tepelně stabilní, připomínající polytetrafluorethylen; chemicky je však reaktivní. Může být přeměněn zpět na grafen reakcí s KI za vyšší teploty.[3] Během reakcí fluorografenu s NaOH a NaSH je pozorována současná redukční defluorace a substituce. Reaktivita fluorografenu představuje snadnou cestu k derivátům grafenu.[5]

Příprava

Materiál poprvé popsal v roce 2010 Robinson et al.[1] pomocí grafenu pěstovaného na měděné fólii vystavené xenon difluorid při 30 ° C. Skupina Nair et al.[2] začal odštěpený grafen krystaly na zlaté mřížce vystavené také xenon difluoridu, při 70 ° C. Také v roce 2010 Withers et al. popsaná exfoliace fluorovaného grafitu (jednovrstvá, 24% fluorace)[6] a Cheng et al. hlášená reverzibilní fluorace grafenu.[7] Stechiometrický fluorografen (CF) byl také připraven chemickou exfoliací grafitový fluorid podle Zboril et al.[3] Zboril a kol. také ukázal, že fluorid grafenu lze přeměnit na grafen pomocí jodidu grafenu, spontánně se rozkládajícího meziproduktu.[3]

Struktura

Strukturu fluorografenu lze odvodit ze struktury grafitmonofluoridu (CF)
n, který se skládá ze slabě navázaných vrstvených fluorografenových vrstev a jeho nejstabilnější konformace (předpokládaná pro monokrystal) obsahuje nekonečné pole zesítěných cyklohexanových křesel s kovalentními vazbami C – F v AB skládací sekvenci.[8] Odhadovaná vzdálenost C-F se rovná 136-138 pm, C-C 157-158 pm a úhel C-C-C 110 stupňů.[9] Možné konformace fluorografenu byly rozsáhle výpočtově prozkoumány.[10][11][12][13][14][15]

Elektronické vlastnosti

Fluorografen je považován za polovodič s velkou mezerou, protože jeho charakteristiky I-V jsou silně nelineární s odporem téměř nezávislým na hradle větším než 1 GΩ. Kromě toho měření fluorescence a měření NEXAFS ukazují mezeru mezi pásmy vyšší než 3,8 eV. Teoretické výpočty ukazují, že odhad mezery mezi fluorografenovými pásmy je poměrně náročný úkol, protože funkce GGA poskytuje mezeru mezi pásmy 3,1 eV, hybridní (HSE06) 4,9 eV, GW 8,1 eV nad PBE 8,1 nebo 8,3 eV nad HSE06. Optický přechod vypočítaný Bethe-Salpeterovou rovnicí (BSE) se rovná 5,1 eV a ukazuje na extrémně silnou energii vazby excitonu 1,9 eV.[9] Nedávno bylo prokázáno, že při použití fluorografenu jako pasivační vrstvy v tranzistorech Field Effect (FET) s grafenovým kanálem se významně zvyšuje mobilita nosiče.[16]

Reakce

Fluorografen je citlivý na nukleofilní substituci a redukční defluoraci, což z něj činí mimořádný prekurzorový materiál pro syntézu velkého portfolia grafenových derivátů. Oba chemické kanály lze použít k chemické manipulaci s fluorografenem a lze je vyladit vhodnými podmínkami, například rozpouštědlem.[17] V roce 2010 se ukázalo, že fluorografen lze zpracováním KI transformovat na grafen.[3] Nukleofily mohou nahradit atomy fluoru a vyvolat částečnou nebo úplnou defluoraci.[18] Reaktivita fluorografenu je vyvolána bodovými defekty.[19] Znalosti o reaktivitě fluorografenu lze využít pro syntézu nových derivátů grafenu, které obsahují i) směs F a dalších funkčních skupin (jako je např. Thiofluorografen obsahující jak -F, tak -SH [20]) nebo ii) selektivně pouze funkční skupina (a jakékoli skupiny -F). Alkylové a arylové skupiny lze selektivně připojit k grafenu pomocí Grignardova reakce s fluorografenem a tato reakce vede k vysokému stupni funkcionalizace grafenu.[21] Velmi slibný a selektivní derivát grafenu, kyanografen (nitril grafenu), byl syntetizován reakcí NaCN s fluorografenem. Tento materiál byl dále použit pro syntézu kyseliny grafenové, tj. Grafenu funkcionovaného skupinami -COOH na jejím povrchu, a bylo prokázáno, že tato kyselina grafenová může být účinně konjugována s aminy a alkoholy. Tato zjištění otevírají nové dveře pro vysoce výnosnou a selektivní funkcionalizaci grafenu.[22]

Ostatní halogenované grafeny

Nedávné studie rovněž odhalily, že podobně jako při fluoraci lze dosáhnout úplné chlorace grafenu. Výsledná struktura se nazývá chlorografen.[23][24] Jiné teoretické výpočty však zpochybňovaly stabilitu chlorografenu za okolních podmínek.[25]

Grafen může být také fluorován nebo halofluorován metodou CVD s fluorovanými uhlovodíky, hydro- nebo halofluorovanými uhlovodíky zahříváním při kontaktu uhlíkového materiálu s fluoroorganickými látkami za vzniku částečně fluorovaných uhlíků (tzv. Materiály Fluocar).[26][27]

Přehled přípravy, reaktivity a vlastností halogenovaných grafenů je k dispozici zdarma v časopise ACS Nano.[8]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Vlastnosti fluorovaných grafenových filmů Jeremy T. Robinson; James S. Burgess; Chad E. Junkermeier; Stefan C. Badescu; Thomas L. Reinecke; F. Keith Perkins; Maxim K. Zalalutdniov; Jeffrey W. Baldwin; James C. Culbertson; Paul E. Sheehan; Eric S. Snow (2010). "Vlastnosti fluorovaných grafenových filmů". Nano dopisy. 10 (8): 3001–3005. Bibcode:2010NanoL..10.3001R. CiteSeerX  10.1.1.954.8747. doi:10.1021 / nl101437p. PMID  20698613.
  2. ^ A b Rahul R. Nair, Wencai Ren, Rashid Jalil, Ibtsam Riaz, Vasyl G. Kravets, Liam Britnell, Peter Blake, Fredrik Schedin, Alexander S. Mayorov, Shengjun Yuan, Michail I. Katsnelson, Hui-Ming Cheng, Wlodek Strupinski, Lyubov G. Bulusheva, Alexander V. Okotrub, Irina V. Grigorieva, Alexander N. Grigorenko, Kostya S. Novoselov, a Andre K. Geim (2010). „Fluorografen: dvourozměrný protějšek teflonu“. Malý. 6 (24): 2877–2884. arXiv:1006.3016. doi:10,1002 / ml. 201001555. PMID  21053339. S2CID  10022293.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  3. ^ A b C d E Radek Zboril; František Karlický; A.B. Bourlinos; T.A. Steriotis; A.K. Stubos; V. Georgakilas; K. Safarova; D. Jančík; C. Trapalis; Michal Otyepka (2010). „Fluorid grafenu: stabilní stechiometrický derivát grafenu a jeho chemická přeměna na grafen“. Malý. 6 (24): 2885–2891. doi:10,1002 / ml. 201001401. PMC  3020323. PMID  21104801.
  4. ^ Garcia, J. C .; de Lima, D. B .; Assali, L. V. C .; Justo, J. F. (2011). „Skupina IV, nanosety podobné grafenu a grafanu“. J. Phys. Chem. C. 115 (27): 13242. arXiv:1204.2875. doi:10.1021 / jp203657w. S2CID  98682200.
  5. ^ Matus Dubecký; Eva Otyepková; Petr Lazar; František Karlický; Martin Petr; Klara Cepe; Pavel Banáš; Radek Zboril; Michal Otyepka (2015). „Reaktivita fluorografenu: snadná cesta k derivátům grafenu“. J. Phys. Chem. Lett. 6 (8): 1430–1434. doi:10.1021 / acs.jpclett.5b00565. PMID  26263147.
  6. ^ Kohoutek, Freddie; Dubois, Marc; Savchenko, Alexander K. (2010). "Elektronové vlastnosti fluorovaných jednovrstvých grafenových tranzistorů". Phys. Rev. B. 82 (7): 073403. arXiv:1005.3474. Bibcode:2010PhRvB..82g3403W. doi:10.1103 / PhysRevB.82.073403. S2CID  119209248.
  7. ^ Reverzibilní fluorace grafenu: Důkaz dvojrozměrného polovodiče se širokopásmovou mezerou S.-H. Cheng, K. Zou, F. Okino, H. R. Gutierrez, A. Gupta, N. Shen, P. C. Eklund, J. O. Sofo a J. Zhu Phys. Rev. B 2010; 81, 205435 doi:10.1103 / PhysRevB.81.205435
  8. ^ A b Karlicky F, Datta KKR, Otyepka M, Zboril R. Halogenované grafeny: rychle rostoucí rodina derivátů grafenu. ACS Nano, 2013, 7 (8), str. 6434–6464 doi:10.1021 / nn4024027
  9. ^ A b Karlicky F, Otyepka M 'Band Gaps and Optical Spectra of Chlorographene, Fluorographene and Graphane from G0W0, GW0 and GW Calculation on Top of PBE and HSE06 Orbitals. J. Chem. Teorie. Comput., 2013, 9 (9), doi:10.1021 / ct400476r
  10. ^ Artyukhov, V. I. a Chernozatonskii, L. A., Interakce struktury a vrstvy v fluoridu uhličitém a grafanu: srovnávací výpočetní studie. J. Phys. Chem. A, 2010, 114 (16), str. 5389–5396 doi:10.1021 / jp1003566
  11. ^ Leenaerts, O., Peelaers, H., Hernández-Nieves, A. D., Partoens, B. and Peeters, F. M., Výzkum základních principů grafenfluoridu a grafanu. Phys. Rev. B 82, 195436 (2010) doi:10.1103 / PhysRevB.82.195436
  12. ^ Samarakoon, D. K., Chen, Z., Nicolas, C. a Wang, X.-Q. , Strukturní a elektronické vlastnosti fluorografenu. Malý, n / a. doi:10,1002 / ml. 201002058
  13. ^ Strukturní a elektronické vlastnosti hybridních fluorografen – grafenových nanoribonů: pohled z výpočtů podle prvních principů Shaobin Tang, Shiyong Zhang The Journal of Physical Chemistry C Article ASAP doi:10.1021 / jp204880f
  14. ^ Sahin H., Topsakal M. a Ciraci H., Struktury fluorovaného grafenu a jejich podpisy, Physical Review B 83, 115432 (2011) doi:10.1103 / PhysRevB.83.115432
  15. ^ Garcia, J. C .; de Lima, D. B .; Assali, L. V. C .; Justo, J. F. (2011). „Skupina IV, nanosety podobné grafenu a grafanu“. J. Phys. Chem. C. 115 (27): 13242. arXiv:1204.2875. doi:10.1021 / jp203657w. S2CID  98682200.
  16. ^ Ho, Kuan-I; Boutchich, Mohamed; Su, Ching-Yuan; Moreddu, Rosalia; Marianathan, Eugene Sebastian Raj; Montes, Laurent; Lai, Chao-Sung (2015). „Vyrovnaný grafitový tranzistor s vysokou mobilitou: Odpojení kanálu fluorografenem pro snížení rozptylu“. Pokročilé materiály. 27 (41): 6519–6525. doi:10,1002 / adma.201502544. PMID  26398725.
  17. ^ Matochová D, Medved M, Aristides B, Steklý T, Zbořil R, Otyepka M 2D Chemistry - Chemical Control of Graphene Derivatization. J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9 (13), s. 3580–3585. doi:10.1021 / acs.jpclett.8b01596
  18. ^ Dubecký M, Otyepková E, Lazar P, Karlický F, Petr M, Čépe K, Banáš P, Zbořil R, Otyepka M Reaktivita fluorografenu: snadná cesta k derivátům grafenu. J. Phys. Chem. Lett., 2015, 6 (8), s. 1430–1434 doi:10.1021 / acs.jpclett.5b00565
  19. ^ Medved M, Zoppellaro G, Ugolotti J, Matochová D, Lazar P, Pospíšil T, Bakandritsos A, Tuček J, Zbořil R, Otyepka M Reaktivita fluorografenu je vyvolána bodovými defekty: za dokonalým 2D světem. Nanoscale, 2018, 10, pp 4696-4707 doi:10.1039 / C7NR09426DPMC  5892133
  20. ^ Urbanová V, Holá K, Bourlinos AB, Čépe K, Ambrosi A, Loo AH, Pumera M, Karlický F, Otyepka M, Zbořil R Thiofluorografen-hydrofilní derivát grafenu s polovodičovými a genosenzními vlastnostmi. Adv. Mater., 2015, 27 (14), s. 2305–2310 doi:10.1002 / adma.201500094
  21. ^ Chronopoulos DD, Bakandritsos A, Lazar P, Pykal M, Čépe K, Zbořil R, Otyepka M Alkylace a arylace grafenu s vysokou výtěžností pomocí Grignardovy reakce s fluorografenem. Chem. Mater., 2017, 29 (3), str. 926–930 doi:10,1021 / acs.chemmater.6b05040
  22. ^ Bakandritsos A, Pykal M, Blonski P, Jakubec P, Chronopoulos DD, Poláková K, Georgakilas V, Cepe K, Tomanec O, Ranc V, Bourlinos AB, Zbořil R, Otyepka M Kyanografen a kyselina grafenová - vznikající deriváty umožňující vysokou výtěžnost a selektivní funkcionalizaci grafenu. ACS Nano, 2017, 11 (3), str. 2982–2991 doi:10,1021 / acsnano.6b08449
  23. ^ Sahin, H (2012). "Adsorpce chloru na grafenu: chlorografen". The Journal of Physical Chemistry C. 116 (45): 24075–24083. arXiv:1211.5242. doi:10.1021 / jp307006c. S2CID  44109838.
  24. ^ Li, B (2011). "Fotochemická chlorace grafenu". ACS Nano. 5 (7): 5957–61. doi:10.1021 / nn201731t. PMID  21657242.
  25. ^ Karlicky, F; et al. (2012). „Pásové mezery a strukturní vlastnosti halogenidů grafenu a jejich derivátů: Hybridní funkční studie s lokalizovanými sadami orbitálních bází“. The Journal of Chemical Physics. 137 (3): 034709. arXiv:1209.4205. Bibcode:2012JChPh.137c4709K. doi:10.1063/1.4736998. PMID  22830726. S2CID  36374882.
  26. ^ „Patent USA: 10000382 - Metoda povrchové úpravy uhlíkových materiálů fluorovanými uhlovodíky a deriváty“.
  27. ^ „Metoda WO16072959 pro povrchovou úpravu uhlíkových materiálů fluorovanými uhlovodíky a deriváty“. patentscope.wipo.int. Citováno 2018-09-13.