Fluorografen
|
|
| Identifierare | |
|---|---|
| ChemSpider |
|
| Egenskaper | |
| CF 1(.1) | |
| Molar massa | Variabel |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Fluorographene (eller perfluorographane , grafenfluorid ) är ett fluorkolderivat av grafen . Det är ett tvådimensionellt kolskikt av sp 3 hybridiserade kol , med varje kolatom bunden till en fluor . Den kemiska formeln är (CF) n . Som jämförelse består Teflon ( polytetrafluoretylen ), -(CF 2 ) n- , av kol "kedjor" med varje kol bundet till två fluorer.
Till skillnad från fluorografen är grafen omättad ( sp 2 hybridiserad ) och helt kol. Kolväteanalogen till fluorografen är sp 3 hybridiserad grafan . I likhet med andra fluorkolväten (t.ex. perfluorhexan ) är fluorografen mycket isolerande. Fluorografen är termiskt stabil, liknar polytetrafluoreten ; kemiskt är den dock reaktiv. Det kan omvandlas tillbaka till grafen genom reaktion med kaliumjodid vid höga temperaturer. Under reaktioner av fluorografen med NaOH och NaSH observeras samtidig reduktiv defluorering och substitution. Reaktiviteten hos fluorografen representerar en lätt väg mot grafenderivat.
Förberedelse
Materialet skapades först 2010 genom att odla grafen på kopparfolie exponerad för xenondifluorid vid 30 °C. Det upptäcktes strax efter att fluorografen också kunde framställas genom att kombinera kluven grafen på ett guldnät samtidigt som det exponerades för xenondifluorid vid 70 °C. Även 2010 Withers et al . beskrev exfoliering av fluorerad grafit (monoskikt, 24 % fluorering) och Cheng et al . rapporterade reversibel grafenfluorering. Stökiometrisk fluorografen framställdes också genom kemisk exfoliering av grafitfluorid . Det visades också att grafenfluorid kan omvandlas tillbaka till grafen via reaktion med jod , som bildar grafenjodid som en kortlivad mellanprodukt.
Strukturera
Strukturen av fluorografen kan härledas från strukturen av grafitmonofluorid (CF) n , som består av svagt bundna staplade fluorografenskikt, och dess mest stabila konformation (förutspådd för monokristallen) innehåller en oändlig uppsättning translänkade cyklohexanstolar med kovalenta C–F-bindningar i en AB-staplingssekvens. Det uppskattade CF-avståndet är 136-138 pm, CC-avståndet är 157-158 pm och CCC-vinkeln är 110°. Möjliga fluorografenkonformationer har undersökts omfattande beräkningsmässigt.
Elektroniska egenskaper
Fluorographene anses vara en halvledare med stort gap , eftersom dess IV-egenskaper är starkt olinjära med en nästan grindoberoende resistans större än 1 GΩ. Dessutom fluorescens- och NEXAFS-mätningar ett bandgap som är högre än 3,8 eV. Teoretiska beräkningar visar att uppskattning av fluorografenbandgap är en ganska utmanande uppgift, eftersom GGA-funktion ger ett bandgap på 3,1 eV, hybrid (HSE06) 4,9 eV, GW 8,1 eV ovanpå PBE 8,1 eller 8,3 eV ovanpå HSE06. Den optiska övergången beräknad av Bethe-Salpeter-ekvationen är lika med 5,1 eV och pekar på en extremt stark excitonbindningsenergi på 1,9 eV. Det har nyligen visat sig att användande av fluorografen som ett passiveringsskikt i fälteffekttransistorer (FET) med en grafenkanal ökar bärarmobiliteten avsevärt.
Reaktion
Fluorografen är känsligt för nukleofil substitution och reduktiv defluorering, vilket gör det till ett extraordinärt prekursormaterial för syntes av många grafenderivat. Båda dessa kanaler kan användas för att kemiskt manipulera fluorografen, och de kan ställas in under lämpliga förhållanden, t.ex. lösningsmedel. 2010 visades att fluorografen kan omvandlas till grafen genom behandling med KI. Nukleofiler kan ersätta fluoratomerna och inducera partiell eller fullständig defluorering. Fluorografenreaktiviteten utlöses av punktdefekter. Kunskapen om fluorografenreaktivitet kan användas för syntes av nya grafenderivat, som innehåller i) blandning av F och andra funktionella grupper (som t.ex. tiofluorografen som innehåller både -F och -SH) eller ii) selektivt endast den funktionella gruppen (och alla -F-grupper). Alkyl- och arylgrupper kan selektivt fästas till grafen med Grignard-reaktion med fluorografen och denna reaktion leder till hög grad av grafenfunktionalisering. Mycket lovande och selektivt grafenderivat cyanografen (grafennitril) syntetiserades genom reaktion av NaCN med fluorografen. Detta material användes vidare för syntes av grafensyra, dvs grafen funktionaliserad av -COOH- grupper över dess yta, och det visades att denna grafensyra effektivt kan konjugeras med aminer och alkoholer . Dessa fynd öppnar en ny dörr för högavkastande och selektiv grafenfunktionalisering.
Andra halogenerade grafener
Nyligen genomförda studier har också visat att, i likhet med fluorering, kan full klorering av grafen uppnås. Den resulterande strukturen kallas klorografen . Andra teoretiska beräkningar ifrågasatte emellertid klorografens stabilitet under omgivande förhållanden.
Även grafen kan fluoreras eller halofluorineras med CVD-metoden med fluorkolväten, kolväten eller halofluorkolväten genom uppvärmning medan det är i kontakt med kolmaterial med fluororganiskt ämne för att bilda delvis fluorerade kol (så kallade Fluocar-material).
En översikt över beredning, reaktivitet och egenskaper hos halogenerade grafener finns tillgänglig i ACS Nano journal gratis.