Hummersova metoda - Hummers method - Wikipedia
Hummersova metoda je chemický proces, který lze použít ke generování oxid grafitu přidáním manganistan draselný k řešení grafit, dusičnan sodný, a kyselina sírová. To je běžně používáno strojírenskými a laboratorními techniky jako spolehlivá metoda výroby množství oxidu grafitu. Je také možné jej revidovat při vytváření verze látky o tloušťce jedné molekuly známé jako oxid grafenu.
Oxid grafitu
Oxid grafitu je sloučenina uhlík, kyslík, a vodík kde je poměr mezi 2,1 a 2,9 uhlíku k kyslíku. Oxid grafitu je obvykle nažloutlá pevná látka. Je také známý jako oxid grafenu, když se používá k vytváření unimolekulárních listů.
Metoda
Hummersova metoda[1] byl vyvinut v roce 1958 jako bezpečnější, rychlejší a efektivnější způsob výroby oxidu grafitu. Než byla metoda vyvinuta, výroba oxidu grafitu byla pomalá a nebezpečná kvůli použití koncentrované kyseliny sírové a dusičné. The Staudenmeier – Hoffman – Hamdiho metoda[2] zavedlo přidání chlorečnanu draselného. Tato metoda však měla více nebezpečí a vyprodukovala jeden gram oxidu grafitu až deset gramů chlorečnanu draselného.[3]
William S. Hummers a Richard E. Offeman vytvořili svou metodu jako alternativu k výše uvedeným metodám poté, co si všimli nebezpečí, která pro pracovníky v Národní vedoucí společnost. Jejich přístup byl podobný v tom, že zahrnoval přidání grafitu do roztoku koncentrované kyseliny. Zjednodušili to však jen na grafit, koncentrovanou kyselinu sírovou, dusičnan sodný a manganistan draselný. Rovněž nemuseli používat teploty nad 98 ° C a vyhnuli se většině výbušného rizika metody Staudenmeier – Hoffman – Hamdi.
Postup začíná 100 g grafitu a 50 g dusičnanu sodného ve 2,3 litru kyseliny sírové při 66 ° C, která se poté ochladí na 0 ° C. Potom se k roztoku přidá 300 g manganistanu draselného a míchá se. Potom se po částech přidává voda, dokud není roztok přibližně 32 litrů.
Konečný roztok obsahuje asi 0,5% pevných látek, které se poté očistí od nečistot a dehydratují oxid fosforečný.
Chemické rovnice a účinnost
Základní chemická reakce zahrnutá v Hummersově metodě je oxidace grafitu, zavádějící molekuly kyslíku do čistého uhlíkového grafenu. K reakci dochází mezi grafenem a koncentrovanou kyselinou sírovou, přičemž jako katalyzátory působí manganistan draselný a dusičnan sodný. Způsob je schopný poskytnout přibližně 188 g oxidu grafitu na 100 g použitého grafitu. Poměr produkovaného uhlíku k kyslíku je v rozmezí 1 až 2,1–2,9, což je charakteristické pro oxid grafitu. Za kontaminanty se považuje většinou popel a voda. Toxické plyny jako např oxid dusný a oxid dusičitý se v tomto procesu vyvinuly. Konečným produktem je obvykle 47,06% uhlíku, 27,97% kyslíku, 22,99% vody a 1,98% popela s poměrem uhlíku k kyslíku 2,25. Všechny tyto výsledky jsou srovnatelné s metodami, které jim předcházely.
| Metoda | % Uhlíku | % Kyslíku | % Vody | % Popel | Atomový poměr uhlík-kyslík |
|---|---|---|---|---|---|
| Hummers | 47.06 | 27.97 | 22.99 | 1.98 | 2.25 |
| Staudenmeier | 52.112 | 23.99 | 22.2 | 1.90 | 2.89 |
Význam
Metoda byla přijata mnoha vědci a chemiky, kteří se zajímají o použití oxidu grafitu pro jiné účely, protože je nejrychlejší[4] konvenční způsob výroby oxidu grafitu při zachování relativně vysokého poměru C / O. Když vědci a chemici zavádějí velké množství oxidu grafitu v časových omezeních, obvykle se v nějaké formě odkazuje na Hummersovu metodu.
Moderní varianty
Oxid grafitový upoutal pozornost vědecké komunity po objevu grafenu v roce 2004. Mnoho týmů zkoumá způsoby použití oxidu grafitu jako zkratky pro hromadnou výrobu grafenu. Dosud se ukázalo, že materiály vyrobené těmito metodami mají více defektů než materiály vyrobené přímo z grafitu. Hummersova metoda zůstává klíčovým bodem zájmu, protože se jedná o snadnou metodu výroby velkého množství oxidu grafitu.
Další skupiny se zaměřily na vylepšení metody Hummers, aby byla účinnější a šetrnější k životnímu prostředí. Jedním z takových procesů je vyloučení použití NaNO3 z procesu.[5][6] Přidání persufate (S2Ó82−) zajišťuje úplnou oxidaci a odlupování grafitu za vzniku suspenzí jednotlivých vrstev oxidu grafitu. Odstranění dusičnanů je také výhodné, protože zastavuje produkci plynů, jako je oxid dusičitý a oxid dusný.
Budoucí použití
Kromě grafenu se Hummersova metoda stala předmětem zájmu fotokatalyzátory.[7] Poté, co zjistili, že oxid grafitu je reaktivní na mnoho vlnových délek světla nacházejících se ve slunečním světle, týmy zkoumaly způsoby jeho použití k posílení rychlosti reakce při rozkladu vody a organické hmoty. Nejběžnější metodou výroby oxidu grafitu v těchto experimentech byla Hummersova metoda.
Viz také
Reference
- ^ A b Hummers, William S .; Offeman, Richard E. (20. března 1958). "Příprava oxidu grafitového". Journal of the American Chemical Society. 80 (6): 1339. doi:10.1021 / ja01539a017.
- ^ Ojha, Kasinath; Anjaneyulu, Oruganti; Ganguli, Ashok (10. srpna 2014). „Hybridní materiály na bázi grafenu: syntetické přístupy a vlastnosti“ (PDF). Současná věda. 107 (3): 397–418. Citováno 7. listopadu 2014.
- ^ Murray-Smith, Robert. „Jak vyrobit oxid grafenu“. Youtube. Citováno 16. listopadu 2014.
- ^ Ciszewski, Mateusz; Mianowski, Andrzej (2013). „Přehled metod oxidace grafitu využívajících oxidační směsi v anorganických kyselinách“. Chemik. 67 (4): 267–274. Citováno 15. listopadu 2014.
- ^ Kovtyukhova, N.I .; Ollivier, P.J .; Martin, B.J .; Mallouk, T.E .; Chizhik, S.A.; Buzaneva, E.V .; Gorchinskiy, A.D. (leden 1999). „Sestavování ultratenkých kompozitních fólií z desek a polykationtů o velikosti mikronu po vrstvách“. Chemie materiálů. 11 (3): 771–778. doi:10,1021 / cm981085u.
- ^ Chen, Ji; Yao, Bowen; Li, Chun; Shi, Gaoquan (listopad 2013). „Vylepšená Hummersova metoda pro ekologickou syntézu oxidu grafenu“. Uhlík. 64: 225–229. doi:10.1016 / j. Carbon.2013.07.055.
- ^ Tu, Wenguang; Zhou, Yong; Zou, Zhigang (říjen 2013). „Všestranný fotokatalytický výkon polovodičů podporující grafen: základní principy, syntéza, přeměna sluneční energie a environmentální aplikace“. Pokročilé funkční materiály. 23 (40): 4996–5008. doi:10.1002 / adfm.201203547.