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Erstaunliches Graphitoxid: Warum kann es sich in ein starkes papierähnliches Material verwandeln?
Graphitoxid (GO) ist eine Verbindung aus Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff in variablen Anteilen. Es wird normalerweise durch Behandlung von Graphit mit starken Oxidationsmitteln und Säuren hergestellt. Dieses Material ist besonders auffällig, da es die Schichtstruktur von Graphit beibehält, aber auch große unregelmäßige Abstände aufweist, was es potenziell für mehrere Anwendungen wertvoll macht.
Das maximale Oxidationsprodukt von Graphitoxid ist ein gelber Feststoff mit einem Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis zwischen 2,1 und 2,9.
Graphitoxid wurde erstmals 1859 von Benjamin C. Brodie, einem Chemiker an der Universität Oxford, in einem Verfahren hergestellt, bei dem Graphit mit Salpetersäure und Kaliumchlorsäure gemischt wurde. Anschließend entwickelten Hamers und Overman 1957 eine sicherere, schnellere und effizientere Hamers-Methode, die nicht nur den Syntheseprozess verbesserte, sondern auch die Ausbeute erheblich steigerte.
Da die Anwendung von Graphitoxid allmählich zunimmt, verfügen Forscher über ein tieferes Verständnis seiner Struktur und Eigenschaften. Graphitoxid hat etwa den doppelten Zwischenschichtabstand von Graphit (etwa 0,7 Nanometer), was bedeutet, dass es ein höheres Potenzial für die Konfiguration in neuen Materialien hat. Untersuchungen zeigen, dass unterschiedliche Synthesemethoden zu unterschiedlichen Arten von Graphitoxiden führen, deren Eigenschaften vom Oxidationsgrad abhängen.
Das soeben erhaltene Graphitoxid weist eine starke Benetzbarkeit auf und ist in der Lage, Wasser zu absorbieren, wodurch sich der Abstand zwischen den Schichten deutlich vergrößert.
Eigenschaften und Anwendungen von Graphitoxid
Graphitoxid verfügt über eine hervorragende Benetzbarkeit und kann beim Eintauchen in verschiedene polare Lösungsmittel vollständig an die Oberfläche gelangen, was es zu einem unersetzlichen Vorteil bei der Herstellung von Membranmaterialien und Verbundmaterialien macht. Insbesondere in der Wasseraufbereitungsbranche gilt Graphitoxid als vielversprechende Lösung.
Untersuchungen zeigen, dass Graphitoxidmembranen Wassermoleküle effektiv filtern und gleichzeitig einige größere Ionen blockieren können.
Lockheed Martin hat beispielsweise seine innovative Filtertechnologie Perforene angekündigt und behauptet, dass der Filter 500-mal dünner und 1.000-mal stärker ist als die besten derzeit erhältlichen Filter, was das Risiko einer Umkehrosmose im Meerwasser erheblich verringert.
Neben der Wasseraufbereitung zeigt Graphitoxid auch Potenzial bei der Herstellung optisch nichtlinearer Materialien. Seine Fähigkeit, optische Eigenschaften zu regulieren, macht es von großem Anwendungswert in den Bereichen Laseranwendungen und optische Kommunikation. Die Forscher stellten fest, dass durch Variation des Sauerstoffgehalts die elektronischen und optischen Eigenschaften von Graphitoxid präzise abgestimmt werden können.
Wie man starke papierähnliche Materialien herstellt
Graphitoxid kann durch einen einfachen Dispersionsprozess aufgewertet werden, der als starkes papierähnliches Material verwendet werden kann. Hochdisperses Graphitoxid wird in einem wasserbasierten Medium adsorbiert und anschließend dehydriert, was letztendlich zu Graphitoxidpapier mit erstaunlicher Festigkeit führt. Dieses Material kann nicht nur die Verwendung von herkömmlichem Papier ersetzen, sondern kann auch in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt werden und weist gute erneuerbare Eigenschaften auf.
Viele Studien haben gezeigt, dass Graphitoxidpapier hinsichtlich Festigkeit und Flexibilität vielen herkömmlichen Materialien überlegen ist.
Kurz gesagt, das Potenzial von Graphitoxid beruht auf seinen einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften und zeigt seine außergewöhnlichen Anwendungsaussichten, sei es bei der Wasseraufbereitung oder bei der Erforschung der Materialwissenschaften. Da Graphitoxid so weit verbreitet ist, wie wird es unseren zukünftigen Materialverbrauch und -bedarf verändern?
