Флюорографен
| |
| Идентификаторы | |
|---|---|
| ХимическийПаук |
|
| Характеристики | |
| КФ 1(.1) | |
| Молярная масса | Переменная |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Фторографен (или перфторграфан , фторид графена ) — фторуглеродное производное графена . [1] [2] [3] Это двумерный углеродный лист sp. 3 гибридизированные углероды , в которых каждый атом углерода связан с одним атомом фтора . Химическая формула (КФ) н . Для сравнения, тефлон ( политетрафторэтилен ) -(CF 2 ) n - состоит из углеродных «цепочек», каждый углерод связан с двумя атомами фтора.
В отличие от фторографена графен ненасыщен ( sp 2 гибридизированный ) и полностью углеродный. Углеводородным . аналогом фторографена является sp 3 гибридизированный графан . Подобно другим фторуглеродам (например, перфторгексану ), фторографен обладает высокими изолирующими свойствами. Фторографен термически стабилен и напоминает политетрафторэтилен ; однако химически он реактивен. Его можно превратить обратно в графен путем реакции с йодидом калия при высоких температурах. [3] При реакциях фторографена с NaOH и NaSH наблюдаются одновременное восстановительное дефторирование и замещение. Реакционная способность фторографена представляет собой простой путь к производным графена. [4]
Подготовка
[ редактировать ]Материал был впервые создан в 2010 году путем выращивания графена на медной фольге, подвергнутой воздействию дифторида ксенона при 30 °C. [1] Вскоре после этого было обнаружено, что фторографен также можно получить, объединив расколотый графен на золотой сетке при воздействии дифторида ксенона при температуре 70 ° C. [2] Также в 2010 году Withers et al . описал расслоение фторированного графита (монослой, фторирование 24%). [5] и Ченг и др . сообщили об обратимом фторировании графена. [6] Стехиометрический фторографен был также получен химическим расслоением фторида графита . [3] Также было показано, что фторид графена можно превратить обратно в графен посредством реакции с йодом , который образует йодид графена в качестве короткоживущего промежуточного продукта. [3]
Структура
[ редактировать ]Структуру фторографена можно получить из структуры монофторида графита. (CF) n , который состоит из слабо связанных друг с другом сложенных слоев фторографена, а его наиболее стабильная конформация (предсказанная для монокристалла) содержит бесконечный массив транс-связанных циклогексановых стульев с ковалентными связями C–F в последовательности укладки AB. [7] Расчетное расстояние CF составляет 136–138 часов, расстояние CC – 157–158 часов, угол CCC – 110°. [8] Возможные конформации фторографена были тщательно исследованы с помощью вычислений. [9] [10] [11] [12]
Электронные свойства
[ редактировать ]Фторографен считается полупроводником с широкой запрещенной зоной , поскольку его вольт-амперные характеристики сильно нелинейны с почти независимым от затвора сопротивлением , превышающим 1 ГОм. Кроме того, измерения флуоресценции и NEXAFS показывают ширину запрещенной зоны более 3,8 эВ. Теоретические расчеты показывают, что оценка запрещенной зоны фторграфена является довольно сложной задачей, поскольку функционал GGA обеспечивает ширину запрещенной зоны 3,1 эВ, гибридный (HSE06) 4,9 эВ, GW 8,1 эВ поверх PBE 8,1 или 8,3 эВ поверх HSE06. Оптический переход, рассчитанный по уравнению Бете-Солпитера, равен 5,1 эВ и указывает на чрезвычайно сильную энергию связи экситона 1,9 эВ. [8] Недавно было продемонстрировано, что при использовании фторографена в качестве пассивирующего слоя в полевых транзисторах (FET) с графеновым каналом подвижность носителей значительно увеличивается. [13]
Реакция
[ редактировать ]Фторографен подвержен нуклеофильному замещению и восстановительному дефторированию, что делает его исключительным исходным материалом для синтеза многочисленных производных графена. Оба этих канала можно использовать для химического манипулирования фторографеном, и их можно настроить с помощью подходящих условий, например, растворителя. [14] В 2010 году было показано, что фторографен можно превратить в графен при обработке KI. [3] Нуклеофилы могут замещать атомы фтора и вызывать частичное или полное дефторирование. [15] Реакционная способность фторографена обусловлена точечными дефектами. [16] Знания о реакционной способности фторграфена могут быть использованы для синтеза новых производных графена, которые содержат i) смесь F и других функциональных групп (например, тиофторграфен, содержащий как -F, так и -SH). [17] ) или ii) выборочно только функциональную группу (и любые группы -F). Алкильные и арильные группы могут быть избирательно присоединены к графену с помощью реакции Гриньяра с фторграфеном, и эта реакция приводит к высокой степени функционализации графена. [18] Очень перспективное и селективное производное графена — цианографен (нитрил графена) было синтезировано реакцией NaCN с фторографеном. Этот материал в дальнейшем был использован для синтеза графеновой кислоты, то есть графена, функционализированного группами -СООН на его поверхности, и было показано, что эта графеновая кислота может эффективно конъюгироваться с аминами и спиртами . Эти результаты открывают новые возможности для высокопроизводительной и селективной функционализации графена. [19]
Другие галогенированные графены
[ редактировать ]Недавние исследования также показали, что, как и при фторировании, можно достичь полного хлорирования графена. Полученная структура называется хлорографеном . [20] [21] Однако другие теоретические расчеты поставили под сомнение стабильность хлорографена в условиях окружающей среды. [22]
Также графен можно фторировать или галогенфторировать CVD-методом с фторуглеродами, гидро- или галогенфторуглеродами путем нагревания при контакте углеродного материала с фторорганическим веществом с образованием частично фторированных углеродов (так называемых флюокар-материалов). [23] [24]
Обзор получения, реакционной способности и свойств галогенированных графенов доступен бесплатно в журнале ACS Nano. [7]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Джереми Т. Робинсон; Джеймс С. Берджесс; Чад Э. Юнкермейер; Стефан К. Бадеску; Томас Л. Райнеке; Ф. Кейт Перкинс; Максим Константинович Залалуднев; Джеффри В. Болдуин; Джеймс К. Калбертсон; Пол Э. Шиэн; Эрик С. Сноу (2010). «Свойства пленок фторированного графена». Нано-буквы . 10 (8): 3001–3005. Бибкод : 2010NanoL..10.3001R . CiteSeerX 10.1.1.954.8747 . дои : 10.1021/nl101437p . ПМИД 20698613 .
- ^ Jump up to: а б Rahul R. Nair, Wencai Ren, Rashid Jalil, Ibtsam Riaz, Vasyl G. Kravets, Liam Britnell, Peter Blake, Fredrik Schedin, Alexander S. Mayorov, Shengjun Yuan, Mikhail I. Katsnelson, Hui-Ming Cheng, Wlodek Strupinski, Lyubov G. Bulusheva, Alexander V. Okotrub, Irina V. Grigorieva, Alexander N. Grigorenko, Kostya S. Novoselov , and Andre K. Geim (2010). "Fluorographene: A Two-Dimensional Counterpart of Teflon". Small . 6 (24): 2877–2884. arXiv : 1006.3016 . doi : 10.1002/smll.201001555 . PMID 21053339 . S2CID 10022293 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с д и Радек Зборил; Франтишек Карлицкий; АБ Бурлинос; Т.А. Стериотис; АК Стубос; В. Георгакилас; К. Сафарова; Д. Янчик; К. Трапалис; Михал Отепка (2010). «Фторид графена: стабильное стехиометрическое производное графена и его химическое превращение в графен» . Маленький . 6 (24): 2885–2891. дои : 10.1002/smll.201001401 . ПМК 3020323 . ПМИД 21104801 .
- ^ Матус Дубецкий; Ева Отепкова; Петр Лазарь; Франтишек Карлицкий; Мартин Петр; Клара Чепе; Павел Банас; Радек Зборил; Михал Отепка (2015). «Реакционная способность фторографена: простой путь к производным графена» . Журнал физической химии . 6 (8): 1430–1434. doi : 10.1021/acs.jpclett.5b00565 . ПМИД 26263147 .
- ^ Уизерс, Фредди; Дюбуа, Марк; Савченко, Александр К. (2010). «Электронные свойства транзисторов из фторированного однослойного графена». Физ. Преподобный Б. 82 (7): 073403. arXiv : 1005.3474 . Бибкод : 2010PhRvB..82g3403W . дои : 10.1103/PhysRevB.82.073403 . S2CID 119209248 .
- ^ Ченг, С.-Х.; Цзоу, К.; Окино, Ф.; Гутьеррес, HR; Гупта, А.; Шен, Н.; Эклунд, ПК; Софо, Дж. О.; Чжу, Дж. (2010). «Обратимое фторирование графена: свидетельство существования двумерного полупроводника с широкой запрещенной зоной». Физический обзор B . 81 (20): 205435.arXiv : 1005.0113 . Бибкод : 2010PhRvB..81t5435C . дои : 10.1103/PhysRevB.81.205435 . S2CID 117789762 .
- ^ Jump up to: а б Карлицкий, Франтишек; Кумара Раманатха Датта, Касибхатта; Отепка, Михал; Зборил, Радек (2013). «Галогенированные графены: быстро растущее семейство производных графена» . АСУ Нано . 7 (8): 6434–6464. дои : 10.1021/nn4024027 . ПМИД 23808482 .
- ^ Jump up to: а б Карлицкий, Франтишек; Отепка, Михал (2013). «Запрещенная зона и оптические спектры хлорографена, фторографена и графана на основе расчетов G0W0, GW0 и GW на вершине орбиталей PBE и HSE06». Журнал химической теории и вычислений . 9 (9): 4155–4164. дои : 10.1021/ct400476r . ПМИД 26592406 .
- ^ Артюхов Василий Иванович; Чернозатонский, Леонид А. (2010). «Структура и взаимодействие слоев монофторида углерода и графана: сравнительное вычислительное исследование». Журнал физической химии А. 114 (16): 5389–5396. Бибкод : 2010JPCA..114.5389A . дои : 10.1021/jp1003566 . ПМИД 20369887 .
- ^ Линартс, О.; Пилерс, Х.; Эрнандес-Ньевес, AD; Партоенс, Б.; Питерс, FM (2010). «Первые принципы исследования фторида графена и графана». Физический обзор B . 82 (19): 195436. arXiv : 1009.3847 . Бибкод : 2010PhRvB..82s5436L . дои : 10.1103/PhysRevB.82.195436 . S2CID 17885038 .
- ^ Самаракун, Думинда К.; Чен, Чжифан; Николя, Шантель; Ван, Сяо-Цянь (2011). «Структурные и электронные свойства фторографена». Маленький . 7 (7): 965–969. дои : 10.1002/smll.201002058 . ПМИД 21341370 .
- ^ Тан, Шаобин; Чжан, Шиюн (2011). «Структурные и электронные свойства гибридных нанолент фторографена и графена: результаты расчетов из первых принципов». Журнал физической химии C. 115 (33): 16644–16651. дои : 10.1021/jp204880f .
- ^ Хо, Куан-И; Бутчич, Мохамед; Су, Цзин-Юань; Моредду, Розалия; Марианатан, Юджин Себастьян Радж; Монтес, Лоран; Лай, Чао-Сун (2015). «Самовыравнивающийся высокомобильный графеновый транзистор: развязка канала с помощью фторографена для уменьшения рассеяния». Продвинутые материалы . 27 (41): 6519–6525. Бибкод : 2015AdM....27.6519H . дои : 10.1002/adma.201502544 . ПМИД 26398725 . S2CID 205262203 .
- ^ Матохова, Дагмар; Медведь, Мирослав; Бакандритсос, Аристид; Стекли, Томас; Разрушен, Радек; Отепка, Михал (2018). «2D-химия: химический контроль дериватизации графена» . Журнал физической химии . 9 (13): 3580–3585. doi : 10.1021/acs.jpclett.8b01596 . ПМК 6038093 . ПМИД 29890828 .
- ^ Дубецкий, Матуш; Отепкова, Ева; Лазарь, Питер; Карлицкий, Франтишек; Питер, Мартин; Чепе, Клара; Банас, Павел; Разрушен, Радек; Отепка, Михал (2015). «Реакционная способность фторографена: простой путь к производным графена» . Журнал физической химии . 6 (8): 1430–1434. doi : 10.1021/acs.jpclett.5b00565 . ПМИД 26263147 .
- ^ Медведь, Мирослав; Зоппелларо, Джорджио; Уголотти, Юрий; Матохова, Дагмар; Лазарь, Петр; Поспишил, Томас; Бакандритсос, Аристид; Тучек, Иржи; Разрушен, Радек; Отепка, Михал (2018). «Реактивность фторографена вызвана точечными дефектами: за пределами идеального 2D-мира» . Наномасштаб . 10 (10): 4696–4707. дои : 10.1039/C7NR09426D . ПМК 5892133 . ПМИД 29442111 .
- ^ Урбанова, Вероника; Хола, Катерина; Бурлинос, Афанасиос Б.; Чепе, Клара; Амбрози, Адриано; Лоо, Аделина Хьюлин; Пумера, Мартин; Карлицкий, Франтишек; Отепка, Михал; Зборил, Радек (2015). «Тиофторографен-гидрофильное производное графена с полупроводниковыми и геносенсорными свойствами». Продвинутые материалы . 27 (14): 2305–2310. Бибкод : 2015АдМ....27.2305У . дои : 10.1002/adma.201500094 . ПМИД 25692678 . S2CID 624468 .
- ^ Хронопулос, Деметриос Д.; Бакандритсос, Аристид; Лазарь, Петр; Пикал, Мартин; Чепе, Клара; Зборжил, Радек; Отепка, Михал (2017). «Высокопроизводительное алкилирование и арилирование графена посредством реакции Гриньяра с фторографеном» . Химия материалов . 29 (3): 926–930. doi : 10.1021/acs.chemmater.6b05040 . ПМЦ 5312839 . ПМИД 28216805 .
- ^ Бакандритсос, Аристид; Пикал, Мартин; Блонский, Питер; Якубец, Питер; Хронопулос, Деметриос Д.; Полакова, Катерина; Георгакилас, Василиос; Чепе, Клара; Томанец, Ондржей; Ранц, Вацлав; Бурлинос, Афанасиос Б.; Зборжил, Радек; Отипка, Михал (2017). «Цианографен и графеновая кислота: новые производные, обеспечивающие высокопроизводительную и селективную функционализацию графена» . АСУ Нано . 11 (3): 2982–2991. дои : 10.1021/acsnano.6b08449 . ПМК 5371925 . ПМИД 28208019 .
- ^ Шахин, Х (2012). «Адсорбция хлора на графене: хлорографен». Журнал физической химии C. 116 (45): 24075–24083. arXiv : 1211.5242 . дои : 10.1021/jp307006c . S2CID 44109838 .
- ^ Ли, Б (2011). «Фотохимическое хлорирование графена». АСУ Нано . 5 (7): 5957–61. дои : 10.1021/nn201731t . ПМИД 21657242 .
- ^ Карлицкий, Ф; и др. (2012). «Запрещенная зона и структурные свойства галогенидов графена и их производных: гибридное функциональное исследование с локализованными орбитальными базисными наборами». Журнал химической физики . 137 (3): 034709. arXiv : 1209.4205 . Бибкод : 2012JChPh.137c4709K . дои : 10.1063/1.4736998 . ПМИД 22830726 . S2CID 36374882 .
- ^ «Патент США: 10000382 - Способ модификации поверхности углеродных материалов фторуглеродами и их производными» .
- ^ «WO16072959 Способ модификации поверхности углеродных материалов фторуглеродами и их производными» . Patentscope.wipo.int . Проверено 13 сентября 2018 г.