Графан
 | |
| Идентификаторы | |
|---|---|
| ХимическийПаук |
|
| Характеристики | |
| (СН) н | |
| Молярная масса | Переменная |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Графан представляет собой двумерный полимер углерода где и водорода с формульной единицей (CH) n, n велико . [1] Частичная гидрогенизация приводит к образованию гидрогенизированного графена, о чем сообщили Элиас и др. в 2009 году исследованием TEM было признано «прямым доказательством существования нового производного на основе графена». Авторы рассматривали панораму как «целый ряд новых двумерных кристаллов с заданными электронными и другими свойствами». С шириной запрещенной зоны от 0 до 0,8 эВ. [2]
Синтез
[ редактировать ]О его подготовке сообщалось в 2009 году. [2] Графан может быть образован электролитическим гидрированием графена, малослойного графена или высокоориентированного пиролитического графита . В последнем случае можно использовать механическое отшелушивание гидрогенизированных верхних слоев. [3]
Структура
[ редактировать ]Первое теоретическое описание графана было опубликовано в 2003 году. [4] Методом кластерного расширения была найдена структура, которая является наиболее стабильной из всех возможных степеней гидрирования графена. [4] В 2007 году исследователи обнаружили, что это соединение более стабильно, чем другие соединения, содержащие углерод и водород, такие как бензол , циклогексан и полиэтилен . [1] Эта группа назвала предсказанное соединение графаном, потому что это полностью насыщенная версия графена.
Графан фактически состоит из циклогексановых звеньев, и, параллельно с циклогексаном, наиболее стабильной структурной конформацией является не плоская, а неплоская структура, включая конформеры кресла и лодочки, чтобы минимизировать кольцевую деформацию и обеспечить возможность идеальный тетраэдрический валентный угол 109,5 ° для sp 3 -связанные атомы. Однако, в отличие от циклогексана, графан не может взаимно превращаться между этими разными конформерами, поскольку они не только топологически различны, но и представляют собой разные структурные изомеры с разными конфигурациями. В конформере «кресло» атомы водорода чередуются выше или ниже плоскости от углерода к соседнему углероду, тогда как в конформере «лодочка» атомы водорода чередуются попарно выше и ниже плоскости. Существуют также другие возможные конформационные изомеры, в том числе твист-лодочка и твист-лодочка-кресло. Как и в случае с циклогексаном, наиболее стабильным конформером графана является стул, за которым следует структура «твист-лодочки». [5] [6] Хотя коробление конформера стула будет означать усадку решетки, [6] расчеты показывают, что решетка фактически расширяется примерно на 30% [7] из-за противоположного влияния на период решетки более длинных связей углерод-углерод (CC), поскольку sp 3 -связывание графана дает более длинные связи CC на 1,52 Å по сравнению с sp 2 -связывание графена, которое дает более короткие связи CC размером 1,42 Å. [7] Как только что было установлено, теоретически, если бы графан был совершенен и повсюду находился в своем стабильном конформере, решетка расширялась бы; однако существование областей, в которых доминирует локально стабильный конформер «твист-лодочка», «способствует экспериментально наблюдаемому сжатию решетки». [6] Когда экспериментаторы охарактеризовали графан, они обнаружили распределение периодов решетки, соответствующее различным доменам с разными конформерами. [6] Любой беспорядок в конформации гидрирования имеет тенденцию сжимать постоянную решетки примерно на 2,0%. [8]
Графан является изолятором. Химическая функционализация графена водородом может быть подходящим методом открытия запрещенной зоны в графене. [1] Предполагается, что графан, легированный P, является сверхпроводником БКШ теории с T c выше 90 К. высокотемпературным [9]
Варианты
[ редактировать ]Частичное гидрирование приводит к образованию гидрированного графена, а не (полностью гидрированного) графана. [2] Такие соединения обычно называют «графаноподобными» структурами. Графан и графаноподобные структуры могут быть образованы электролитическим гидрированием графена или малослойного графена или высокоориентированного пиролитического графита . В последнем случае можно использовать механическое отшелушивание гидрогенизированных верхних слоев. [3]
Гидрирование графена на подложке затрагивает только одну сторону, сохраняя гексагональную симметрию. Одностороннее гидрирование графена возможно из-за существования ряби. Поскольку последние распределены случайным образом, полученный материал неупорядочен в отличие от двустороннего графана. [2] Отжиг позволяет водороду рассеяться, превращаясь в графен. [10] Моделирование выявило основной кинетический механизм. [11]
Возможные применения
[ редактировать ]Постулируется, что p-легированный графан является сверхпроводником теории БКШ по с T c выше 90 К. высокотемпературным [9]
Графан был предложен для хранения водорода. [1] Гидрирование уменьшает зависимость постоянной решетки от температуры, что указывает на возможность применения в прецизионных приборах. [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Софо, Хорхе О.; Чаудхари, Аджай С.; Барбер, Грег Д. (2007). «Графан: двумерный углеводород». Физический обзор B . 75 (15): 153401. arXiv : cond-mat/0606704 . Бибкод : 2007PhRvB..75o3401S . дои : 10.1103/PhysRevB.75.153401 . S2CID 101537520 .
- ^ Jump up to: а б с д Элиас, округ Колумбия; Наир, РР; Мохиуддин, TMG; Морозов С.В.; Блейк, П.; Холсолл, член парламента; Феррари, AC; Бухвалов, Д.В.; Кацнельсон, Мичиган; Гейм, АК; Новоселов К.С.; и др. (2009). «Контроль свойствами графена путем обратимого гидрирования: доказательства существования графана». Наука . 323 (5914): 610–3. arXiv : 0810.4706 . Бибкод : 2009Sci...323..610E . дои : 10.1126/science.1167130 . ПМИД 19179524 . S2CID 3536592 .
- ^ Jump up to: а б Ильин А.М.; Гусейнов, Н.Р.; Цыганов И.А.; Немкаева Р.Р.; и др. (2011). «Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование графаноподобных структур, образующихся при электролитическом гидрировании». Физика Э. 43 (6): 1262–1265. Бибкод : 2011PhyE...43.1262I . дои : 10.1016/j.physe.2011.02.012 .
- ^ Jump up to: а б Слейтер, Марсель; Кавазоэ, Ёсиюки (2003). «Метод расширения кластеров для адсорбции: применение к хемосорбции водорода на графене». Физический обзор B . 68 (8): 085410. Бибкод : 2003PhRvB..68h5410S . дои : 10.1103/PhysRevB.68.085410 .
- ^ Пумера, Мартин; Вонг, Колин Хонг Ан (2013). «Графан и гидрированный графен» . Обзоры химического общества . 42 (14): 5987–5995. дои : 10.1039/c3cs60132c . ISSN 0306-0012 . ПМИД 23686139 .
- ^ Jump up to: а б с д Самаракун, Думинда К.; Ван, Сяо-Цянь (22 декабря 2009 г.). «Мембраны стула и спиральной лодочки в гидрированном графене» . АСУ Нано . 3 (12): 4017–4022. дои : 10.1021/nn901317d . ISSN 1936-0851 . ПМИД 19947580 .
- ^ Jump up to: а б Чжоу, Чао; Чен, Сихао; Лу, Цзяньчжун; Ван, Цзиху; Ян, Цюцзе; Лю, Чуанжун; Хуан, Дапенг; Чжу, Тунхэ (13 января 2014 г.). «Двоюродный брат графена: настоящее и будущее графана» . Письма о наномасштабных исследованиях . 9 (1): 26. дои : 10.1186/1556-276X-9-26 . ISSN 1556-276X . ПМЦ 3896693 . ПМИД 24417937 .
- ^ Jump up to: а б Фэн Хуан, Лян; Цзэн, Чжи (2013). «Динамика решетки и сокращение, вызванное беспорядком, в функционализированном графене». Журнал прикладной физики . 113 (8): 083524. Бибкод : 2013JAP...113h3524F . дои : 10.1063/1.4793790 .
- ^ Jump up to: а б Савини, Г.; Феррари, AC; Джустино, Ф. (2010). «Первые принципы предсказания легированного графана как высокотемпературного электрон-фононного сверхпроводника». Письма о физических отзывах . 105 (3): 037002. arXiv : 1002.0653 . Бибкод : 2010PhRvL.105c7002S . doi : 10.1103/PhysRevLett.105.037002 . ПМИД 20867792 . S2CID 118466816 .
- ^ Новоселов, Константин Новоселов (2009). «За пределами чудесного материала». Мир физики . 22 (8): 27–30. Бибкод : 2009PhyW...22h..27N . дои : 10.1088/2058-7058/22.08.33 .
- ^ Хуан, Лян Фэн; Чжэн, Сяо Хун; Чжан, Го Жэнь; Ли, Лонг-Лонг; Цзэн, Чжи (2011). «Понимание запрещенной зоны, магнетизма и кинетики графеновых нанополосок в графане». Журнал физической химии C. 115 (43): 21088–21097. дои : 10.1021/jp208067y .