Abstrakt

Chemiekongress: 2019 – Neue Tendenz bei modifiziertem Graphen mit verschiedenen Methoden für photokatalytische Anwendungen – Won-Chun Oh

 Won-Chun Oh Professor Anhui University of Science & Technology, VR China

 Aufgrund seiner einzigartigen 2D-Struktur mit nur einer Atomdicke und seiner bemerkenswerten physikochemischen Eigenschaften hat Graphen eine Flut von Forschungen zu seinen optischen, elektronischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften ausgelöst. Insbesondere die Erforschung von Graphen und Graphenverbundstoffen für photoelektrochemische Anwendungen hat in letzter Zeit große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. In letzter Zeit wurde viel Arbeit in den Versuch gesteckt, neuartige Materialien auf Graphenbasis für eine breite Palette von Anwendungen in der Photoelektrochemie zu entwickeln und herzustellen, die von photoelektrochemischen Solarzellen über die photokatalytische Zersetzung organischer Schadstoffe bis hin zur H2-Entwicklung reichen. In diesem Leitartikel fassen wir den Stand der Forschung zu Materialien auf Graphenbasis für die Photoelektrochemie zusammen. Die Aussichten und weiteren Entwicklungen in diesem spannenden Bereich der Materialien auf Graphenbasis werden ebenfalls diskutiert. Graphen – eine planare Schicht aus Kohlenstoffatomen mit einer Atomdicke, die in einem wabenförmigen Kristallgitter angeordnet ist – ist weiterhin einer der aktivsten Bereiche der Festkörperforschung. Seine Eigenschaften, darunter hohe mechanische Steifigkeit und Festigkeit (wenn fehlerfrei, also bisher nur über geringe Distanzen wie Mikrometer), sowie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, machen Graphen zu einem spannenden Material für zahlreiche künftige Anwendungen in der Nanoelektronik, der Wärmeregulierung und in Energiespeichergeräten. Ein Schlüssel zur Optimierung dieses Potenzials ist die Fähigkeit, die Eigenschaften von Graphen durch chemische Funktionalisierung anzupassen. Ziel dieser Schwerpunktausgabe des neuesten Journal of Physics ist es, einen Überblick über einige der neuesten hochmodernen Techniken zu geben, die derzeit zur Steuerung und Behandlung des Materials eingesetzt werden. Graphenoxid wurde mit der Hummers-Methode aus natürlichem, kristallinem Graphitpulver hergestellt. Dazu wurden 2 g Graphitpulver, 1 g NaNO3 und 46 ml konzentrierte H2SO4 in einem Kolben vermischt, der in ein Eisbad gestellt und 30 min lang gerührt wurde. Dann wurden 6 mg KMnO4 portionsweise zur Mischung hinzugefügt, um einen Temperaturanstieg über 20 °C zu verhindern, und zwei h lang gerührt. Anschließend wurde die Temperatur der Suspension auf 35 °C gebracht und eine Stunde lang auf diesem Niveau gehalten. Dann wurden 92 ml Wasser bei Raumtemperatur in die bräunlich-graue Paste gegeben, was zu heftigem Aufschäumen und einem Temperaturanstieg auf 98 °C führte. Die erhaltene verdünnte, braun gefärbte Suspension wurde mehrere Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten; während dieser Zeit änderte die Lösung ihre Farbe zu leuchtendem Gelb; und danach wurde die Suspension weiter mit 250 ml warmem Wasser verdünnt und mit 20 ml H2O2 behandelt, um das restliche Permanganat und Mangandioxid zu reduzieren. Während die Suspension noch warm war, wurde sie vakuumgefiltert, um die Ausfällung von Nebenprodukten zu vermeiden. Der Filterkuchen wurde mit warmem Wasser gewaschen und auf einer Sigma 6-16 K-Zentrifuge (SciQuip, USA) zentrifugiert. Das erhaltene Sediment wurde auf einer Gamma 1-16 LSC plus-Maschine (Martin Christ Gefriertrocknungsanlagen GmbH) gefriergetrocknet. In der ChemiePhotokatalyse ist die Beschleunigung einer Photoreaktion in Gegenwart eines Katalysators. Bei der katalysierten Photolyse wird Licht von einem adsorbierten Substrat absorbiert. Bei der photogenerierten Katalyse hängt die photokatalytische Aktivität (PCA) von der Fähigkeit des Katalysators ab, Elektron-Loch-Paare zu bilden, die freie Radikale (z. B. Hydroxylradikale: •OH) erzeugen, die bereit sind, sekundäre Reaktionen einzugehen. Ihre Anwendung wurde durch die Erfindung der Wasserelektrolyse mittels Titanoxid (TiO2) möglich. Die Forschung zur Photokatalyse ruhte aufgrund mangelnden Interesses und fehlender praktischer Anwendungen über 25 Jahre lang. 1964 untersuchte VN Filimonov jedoch die Isopropanol-Photooxidation aus ZnO und TiO2; etwa zur gleichen Zeit erforschten Kato und Mashio, Doerffler und Hauffe sowie Ikekawa et al. (1965) die Oxidation/Photooxidation von CO2 und organischen Lösungsmitteln aus ZnO-Strahlung. Einige Jahre später, 1970, erforschten Formenti et al. und Tanaka und Blyholde beobachteten die Oxidation verschiedener Alkene bzw. den photokatalytischen Zerfall von Lachgas (N2O).