แนวคิดพื้นฐานและโครงสร้าง
กราฟีนออกไซด์ชั้นเดียว สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นวัสดุสองมิติที่ได้จากการลอกชั้นกราไฟต์ที่ผ่านการบำบัดด้วยสารออกซิไดซ์เข้มข้น โดยจะนำหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบจำนวนมาก (เช่น หมู่ไฮดรอกซิล หมู่เอพอกซี และหมู่คาร์บอกซิล) เข้ามาบนโครงสร้างคาร์บอนของกราฟีน หมู่เหล่านี้จะรบกวนโครงสร้างนำไฟฟ้าแบบคอนจูเกตดั้งเดิม แต่จะทำให้กราฟีนมีคุณสมบัติชอบน้ำอย่างมาก ทำให้สามารถกระจายตัวได้ง่ายในน้ำหรือตัวทำละลายที่มีขั้ว ซึ่งจะช่วยอำนวยความสะดวกในการประมวลผลและการปรับเปลี่ยนฟังก์ชันในภายหลัง
คุณสมบัติหลักและการใช้งาน
คุณลักษณะของมันมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการใช้งาน ดังต่อไปนี้:
1. พื้นที่ผิวจำเพาะสูงและกิจกรรมบนพื้นผิวสูง
ลักษณะเฉพาะ: โครงสร้างแบบหลายชั้นทำให้มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ และพื้นผิวอุดมไปด้วยหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบซึ่งสามารถทำปฏิกิริยาได้
การใช้งาน: เป็นตัวอย่างที่ดีเยี่ยมวัสดุอิเล็กโทรดสารตั้งต้นหรือสารเติมแต่ง ในแบตเตอรี่ลิเธียมหรือซูเปอร์คาปาซิเตอร์ สารเหล่านี้สามารถให้พื้นที่ใช้งานมากขึ้น ซึ่งเอื้อต่อการดูดซับและการขนส่งไอออนอย่างรวดเร็ว จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพด้านอัตราการคายประจุและความจุ
2. ความสามารถในการประมวลผลโซลูชันที่ยอดเยี่ยม
คุณสมบัติ: ลอกออกได้ง่ายในน้ำหรือตัวทำละลายที่มีขั้ว เพื่อสร้างการกระจายตัวที่เสถียรและสม่ำเสมอ (เช่น การกระจายตัวของกราฟีนออกไซด์)
การใช้งาน: สามารถใช้เป็นหมึกสังเคราะห์เพื่อเตรียมฟิล์มบางที่มีคุณสมบัติหลากหลาย (เช่น ฟิล์มนำความร้อน สารเคลือบนำไฟฟ้าแบบยืดหยุ่น) หรือผสมเข้ากับวัสดุอื่นอย่างสม่ำเสมอผ่านกระบวนการเปียก
3. ปรับแต่งและดัดแปลงได้ง่าย
ลักษณะเฉพาะ: หมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมสำหรับปฏิกิริยาเคมี โดยเชื่อมต่อโมเลกุลหรือพอลิเมอร์อื่นๆ ผ่านพันธะโควาเลนต์หรือพันธะที่ไม่ใช่โควาเลนต์
การประยุกต์ใช้: สามารถปรับแต่งเพื่อเพิ่มคุณสมบัติเฉพาะให้กับวัสดุได้ เช่น เพิ่มความเข้ากันได้กับโพลิเมอร์ เพิ่มคุณสมบัติทางแม่เหล็กหรือทางแสง สำหรับวัสดุคอมโพสิตประสิทธิภาพสูง ไบโอเซนเซอร์ หรือตัวนำส่งยา
4. สามารถใช้เป็นสารตั้งต้นในการเตรียมกราฟีนได้
ลักษณะเฉพาะ: ด้วยวิธีการลดทางเคมี การลดทางความร้อน และวิธีการอื่นๆ สามารถกำจัดหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนออกไปได้บางส่วนหรือทั้งหมด ฟื้นฟูการนำไฟฟ้า และได้กราฟีนออกไซด์ที่ลดลง
การประยุกต์ใช้: ปัจจุบันวิธีนี้เป็นหนึ่งในวิธีการหลักสำหรับการเตรียมวัสดุกราฟีนในปริมาณมาก และผลิตภัณฑ์ที่ได้นั้นถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในด้านต่างๆ เช่น หมึกนำไฟฟ้า การป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และสารเคลือบป้องกันไฟฟ้าสถิต
วิธีการเตรียม ข้อดีและข้อเสีย
วิธีการเตรียมหลัก: ปัจจุบัน วิธีที่ใช้กันมากที่สุดคือ วิธีฮัมเมอร์สที่ได้รับการปรับปรุงและวิธีการที่พัฒนาต่อยอดจากวิธีดังกล่าว ซึ่งเป็นการนำวัตถุดิบกราไฟต์มาบำบัดด้วยสารออกซิไดซ์ เช่น กรดซัลฟิวริกและโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนต จากนั้นจึงทำการลอก ทำความสะอาด และอบแห้งเพื่อให้ได้กราไฟต์
ข้อดีหลักๆ ได้แก่: แปรรูปได้ง่าย ต้นทุนต่ำกว่ากราฟีนบริสุทธิ์ ปรับแต่งและผสมได้ง่าย และกระจายตัวได้อย่างเสถียร
ข้อเสียหลัก: กระบวนการออกซิเดชันก่อให้เกิดข้อบกพร่องจำนวนมาก ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางกลต่ำกว่ากราฟีนที่สมบูรณ์แบบอย่างมาก การควบคุมความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ปัจจัยต่างๆ เช่น ขนาดของชั้นและระดับการออกซิเดชัน เป็นความท้าทายในอุตสาหกรรมนี้
การใช้งานแบตเตอรี่หลัก
การนำผลิตภัณฑ์นี้ไปใช้ในด้านแบตเตอรี่นั้น ปรากฏให้เห็นได้ชัดเจนในสามด้านหลักดังต่อไปนี้:
การชาร์จและการคายประจุอย่างมีประสิทธิภาพ: ในฐานะวัสดุอิเล็กโทรด พื้นที่ผิวจำเพาะสูงและการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมสามารถเพิ่มความเร็วในการส่งผ่านไอออนลิเธียมและอิเล็กตรอนได้
เพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่: เมื่อใช้เป็นวัสดุขั้วบวกหรือขั้วลบสำหรับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ จะช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่และเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและกำลังไฟฟ้าได้
สารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์: เมื่อเติมในรูปแบบของนาโนคอมโพสิต จะช่วยเพิ่มความจุของแบตเตอรี่ ประสิทธิภาพการใช้งาน และความปลอดภัย
วัสดุคอมโพสิตอเนกประสงค์: ปรับเปลี่ยนได้ง่าย สามารถผสมผสานกับวัสดุอื่น ๆ และทำให้วัสดุคอมโพสิตมีคุณสมบัติ เช่น การนำไฟฟ้า การนำความร้อน และการเสริมแรง
