Фторографен - Википедия - Fluorographene

Структура фторографена в конформации кресла, вид сверху
Фторографен в конструкции кресла, вид сбоку
Фторографен
CF 1.png
Идентификаторы
ChemSpider
  • никто
Характеристики
CF1(.1)
Молярная массаПеременная
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Фторографен (или же перфторографан, фторид графена) это фторуглерод производная от графен.[1][2][3] Это двумерный углеродный лист из зр3 гибридизированный угли,[4] с каждым атомом углерода, связанным с одним фтор. Химическая формула (CF)
п. Для сравнения: тефлон (политетрафторэтилен ), - (CF2)п- состоит из углеродных «цепочек», каждый из которых связан с двумя фторами.

В отличие от фторографена, графен ненасыщенный (зр2 гибридизированный ) и полностью карбон. В углеводород аналог фторографена - зр.3 гибридизированный графан. Подобно другим фторуглеродам (например, перфторгексан ) фторографен обладает высокими изоляционными свойствами. Фторографен термически стабилен, напоминая политетрафторэтилен; однако химически он реактивен. Его можно снова превратить в графен путем реакции с KI при более высокой температуре.[3] При взаимодействии фторографена с NaOH и NaSH наблюдается одновременное восстановительное дефторирование и замещение. Реакционная способность фторографена представляет собой легкий путь к производным графена.[5]

Подготовка

Материал был впервые описан в 2010 году Робинсоном. и другие.[1] с использованием графена, выращенного на медной фольге, подвергнутой воздействию дифторид ксенона при 30 ° С. Группа Наира и другие.[2] началось с раскола графен кристаллы на золотой сетке также подвергались воздействию дифторида ксенона при 70 ° C. Также в 2010 году холка и другие. описано расслоение фторированного графита (монослой, фторирование 24%)[6] и Ченг и другие. сообщили об обратимом фторировании графена.[7] Стехиометрический фторограф (CF) был также получен путем химического расслоения фторид графита к Зборил и другие.[3] Zboril et al. также показали, что фторид графена может быть преобразован в графен через йодид графена, спонтанно разлагающийся промежуточный продукт.[3]

Структура

Структура фторографена может быть получена из структуры монофторида графита. (CF)
п, который состоит из слабо связанных друг с другом слоев фторографена, и его наиболее стабильная конформация (предсказанная для монокристалла) содержит бесконечный массив транс-связанных циклогексановых стульев с ковалентными связями C – F в последовательности укладки AB.[8] Расчетное расстояние C-F равно 136-138 пм, C-C 157-158 пм и угол C-C-C 110 градусов.[9] Возможные конформации фторографена были тщательно изучены с помощью вычислений.[10][11][12][13][14][15]

Электронные свойства

Фторографен считается широкозонным полупроводником, потому что его ВАХ сильно нелинейны с практически независимым от затвора сопротивлением более 1 ГОм. Кроме того, измерения флуоресценции и NEXAFS показывают ширину запрещенной зоны выше 3,8 эВ. Теоретические расчеты показывают, что оценка ширины запрещенной зоны фторографена является довольно сложной задачей, поскольку функционал GGA обеспечивает ширину запрещенной зоны 3,1 эВ, гибридный (HSE06) 4,9 эВ, GW 8,1 эВ сверх PBE 8,1 или 8,3 эВ сверх HSE06. Оптический переход, рассчитанный по уравнению Бете-Солпитера (BSE), равен 5,1 эВ и указывает на чрезвычайно сильную энергию связи экситона 1,9 эВ.[9] Недавно было продемонстрировано, что использование фторографа в качестве пассивирующего слоя в полевых транзисторах (FET) с графеновым каналом значительно увеличивает подвижность носителей.[16]

Реакция

Фторографен подвержен нуклеофильному замещению и восстановительному дефторированию, что делает его необычным материалом-предшественником для синтеза большого набора производных графена. Оба химических канала можно использовать для химических манипуляций с фторографеном, и их можно настроить с помощью подходящих условий, например растворителя.[17] В 2010 году было показано, что фторографен можно превратить в графен обработкой KI.[3] Нуклеофилы могут замещать атомы фтора и вызывать частичное или полное дефторирование.[18] Реакционная способность фторографена обусловлена ​​точечными дефектами.[19] Знания о реакционной способности фторографена могут быть использованы для синтеза новых производных графена, которые содержат i) смесь F и других функциональных групп (например, тиофторографен, содержащий как -F, так и -SH [20]) или ii) выборочно только функциональную группу (и любые -F группы). Алкильные и арильные группы могут быть избирательно присоединены к графену с помощью Реакция Гриньяра с фторографеном, и эта реакция приводит к высокой степени функционализации графена.[21] Очень многообещающее 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 -COOH на своей поверхности, и было показано, что эта графеновая кислота может эффективно конъюгироваться с аминами и спиртами. Эти открытия открывают новые возможности для высокопроизводительной и селективной функционализации графена.[22]

Другие галогенированные графены

Недавние исследования также показали, что, подобно фторированию, может быть достигнуто полное хлорирование графена. Полученная структура называется хлорографен.[23][24] Однако другие теоретические расчеты поставили под сомнение стабильность хлорографена в условиях окружающей среды.[25]

Также графен может быть фторирован или галофторирован методом CVD с фторуглеродами, гидро- или галофторуглеродами при нагревании при контакте углеродного материала с фторорганическим веществом с образованием частично фторированных углеродов (так называемые материалы Fluocar).[26][27]

Обзор получения, реакционной способности и свойств галогенированных графенов доступен в журнале ACS Nano бесплатно.[8]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Свойства пленок фторированного графена Джереми Т. Робинсон; Джеймс С. Берджесс; Чад Э. Юнкермайер; Стефан К. Бадеску; Томас Л. Райнеке; Ф. Кейт Перкинс; Максим Константинович Залалутднев; Джеффри В. Болдуин; Джеймс С. Калбертсон; Пол Э. Шиэн; Эрик С. Сноу (2010). «Свойства пленок фторированного графена». Нано буквы. 10 (8): 3001–3005. Bibcode:2010NanoL..10.3001R. CiteSeerX  10.1.1.954.8747. Дои:10.1021 / nl101437p. PMID  20698613.
  2. ^ а б Рахул Р. Наир, Вэньцай Рен, Рашид Джалил, Ибцам Риаз, Василий Г. Кравец, Лиам Бритнелл, Питер Блейк, Фредрик Щедин, Александр С. Майоров, Шэнцзюнь Юань, Михаил И. Кацнельсон, Хуэй-Мин Ченг, Влодек Струпинский, Любовь Г. Булушева, А. В. Окотруб, Ирина В. Григорьева, А. Н. Григоренко, Костя Сергеевич Новоселов, и Андре К. Гейм (2010). «Флюорографен: двумерный аналог тефлона». Маленький. 6 (24): 2877–2884. arXiv:1006.3016. Дои:10.1002 / smll.201001555. PMID  21053339. S2CID  10022293.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  3. ^ а б c d е Радек Зборил; Франтишек Карлики; А.Б. Бурлино; Т.А. Steriotis; А.К. Stubos; 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. ЧВК  3020323. PMID  21104801.
  4. ^ Garcia, J.C .; де Лима, Д. Б.; Ассали, Л. В. Ц .; Хусто, Дж. Ф. (2011). «Графен и графаноподобные нанолисты группы IV». J. Phys. Chem. C. 115 (27): 13242. arXiv:1204.2875. Дои:10.1021 / jp203657w. S2CID  98682200.
  5. ^ Матус Дубецки; Ева Отепкова; Петр Лазарь; Франтишек Карлики; Мартин Петр; Клара Сепе; Павел Банас; Радек Зборил; Михал Отепка (2015). "Реакционная способность фторографена: легкий путь к производным графена". J. Phys. Chem. Lett. 6 (8): 1430–1434. Дои:10.1021 / acs.jpclett.5b00565. PMID  26263147.
  6. ^ Холка, Фредди; Дюбуа, Марк; Савченко, Александр К. (2010). «Электронные свойства фторированных однослойных графеновых транзисторов». Phys. Ред. B. 82 (7): 073403. arXiv:1005.3474. Bibcode:2010PhRvB..82g3403W. Дои:10.1103 / PhysRevB.82.073403. S2CID  119209248.
  7. ^ Обратимое фторирование графена: свидетельство двумерного широкозонного полупроводника С.-Х. Ченг, К. Цзоу, Ф. Окино, Х. Р. Гутьеррес, А. Гупта, Н. Шен, П. К. Эклунд, Дж. О. Софо, Дж. Чжу Phys. Ред. B 2010; 81, 205435 Дои:10.1103 / PhysRevB.81.205435
  8. ^ а б Карлики Ф, Датта ККР, Отепка М, Зборил Р Галогенированные графены: быстрорастущее семейство производных графена. АСУ Нано, 2013, 7 (8), стр 6434–6464 Дои:10.1021 / nn4024027
  9. ^ а б Karlicky F, Otyepka M 'Ширина запрещенной зоны и оптические спектры хлорографена, фторографена и графана из расчетов G0W0, GW0 и GW на основе орбиталей PBE и HSE06. J. Chem. Теория. Вычисл., 2013, 9 (9), Дои:10.1021 / ct400476r
  10. ^ Артюхов В.И., Чернозатонский Л.А. Структура и взаимодействие слоев в монофториде углерода и графане: сравнительное вычислительное исследование. J. Phys. Chem. А, 2010, 114 (16), стр. 5389–5396 Дои:10.1021 / jp1003566
  11. ^ Леенартс, О., Пилаерс, Х., Эрнандес-Ньевес, А. Д., Партоенс, Б. и Петерс, Ф. М., Из первых принципов исследования фторида графена и графана. Phys. Ред. B 82, 195436 (2010). Дои:10.1103 / PhysRevB.82.195436
  12. ^ Самаракун, Д. К., Чен, З., Николас, К. и Ван, X.-Q. , Структурные и электронные свойства фторографена.. Малая, н / д. Дои:10.1002 / smll.201002058
  13. ^ Структурные и электронные свойства гибридных фторографен-графеновых нанолент: выводы из расчетов из первых принципов Шаобинь Тан, Шиюн Чжан Журнал физической химии C Статья как можно скорее Дои:10.1021 / jp204880f
  14. ^ Сахин Х., Топсакал М. и Чирачи Х., Структуры фторированного графена и их сигнатуры, Physical Review B 83, 115432 (2011). Дои:10.1103 / PhysRevB.83.115432
  15. ^ Garcia, J.C .; де Лима, Д. Б.; Ассали, Л. В. Ц .; Хусто, Дж. Ф. (2011). «Графен и графаноподобные нанолисты группы IV». J. Phys. Chem. C. 115 (27): 13242. arXiv:1204.2875. Дои:10.1021 / jp203657w. S2CID  98682200.
  16. ^ Хо, Куан-И; Бутчич, Мохамед; Су, Цзин-Юань; Моредду, Розалия; Марианатан, Юджин Себастьян Радж; Монтес, Лоран; Лай, Чао-Сун (2015). «Самовыравнивающийся высокоподвижный графеновый транзистор: разделение канала с помощью фторографена для уменьшения рассеяния». Современные материалы. 27 (41): 6519–6525. Дои:10.1002 / adma.201502544. PMID  26398725.
  17. ^ Матохова Д., Медведь М., Аристидес Б., Стеклы Т., Зборжил Р., Отепка М. 2D Chemistry - химический контроль дериватизации графена. J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9 (13), стр. 3580–3585. Дои:10.1021 / acs.jpclett.8b01596
  18. ^ Дубецкий М., Отепкова Е., Лазар П., Карлицкий Ф., Петр М., Чепе К., Банаш П., Зборжил Р., Отепка М. Реакционная способность фторографена: легкий путь к производным графена. J. Phys. Chem. Lett., 2015, 6 (8), pp 1430–1434 Дои:10.1021 / acs.jpclett.5b00565
  19. ^ Медведь М., Зоппелларо Г., Уголотти Ю., Матохова Д., Лазар П., Поспишил Т., Бакандрицос А., Тучек Ю., Зборжил Р., Отепка М. Реакционная способность фторографена вызвана точечными дефектами: за пределами идеального 2D-мира. Наномасштаб, 2018, 10, стр 4696-4707 Дои:10.1039 / C7NR09426DЧВК  5892133
  20. ^ Urbanová V, Holá K, Bourlinos AB, Čépe K, Ambrosi A, Loo AH, Pumera M, Karlický F, Otyepka M, Zbořil R Тиофторографен-гидрофильное производное графена с полупроводниковыми и геночувствительными свойствами. Adv. Матер., 2015, 27 (14), с. 2305–2310 Дои:10.1002 / adma.201500094
  21. ^ Хронопулос Д.Д., Бакандритсос А., Лазар П., Пикал М., Чепе К., Зборжил Р., Отепка М. Алкилирование и арилирование графена с высокими выходами посредством реакции Гриньяра с фторографеном. Chem. Матер., 2017, 29 (3), с. 926–930 Дои:10.1021 / acs.chemmater.6b05040
  22. ^ Бакандритсос А., Пикал М., Блонски П., Якубец П., Хронопулос Д. Д., Полакова К., Георгакилас В., Цепе К., Томанец О., Ранц В., Бурлинос А. Б., Зборжил Р., Отепка М. Цианографен и графеновая кислота - новые производные, обеспечивающие высокую доходность и селективную функционализацию графена. ACS Nano, 2017, 11 (3), стр. 2982–2991. Дои:10.1021 / acsnano.6b08449
  23. ^ Сахин, H (2012). «Адсорбция хлора на графене: хлорографен». Журнал физической химии C. 116 (45): 24075–24083. arXiv:1211.5242. Дои:10.1021 / jp307006c. S2CID  44109838.
  24. ^ Ли, Б. (2011). «Фотохимическое хлорирование графена». САУ Нано. 5 (7): 5957–61. Дои:10.1021 / nn201731t. PMID  21657242.
  25. ^ Карлики, Ф; и другие. (2012). «Ширина запрещенной зоны 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. Bibcode:2012JChPh.137c4709K. Дои:10.1063/1.4736998. PMID  22830726. S2CID  36374882.
  26. ^ «Патент США: 10000382 - Способ модификации поверхности углеродных материалов фторуглеродами и производными».
  27. ^ "WO16072959 Способ модификации поверхности углеродных материалов фторуглеродами и производными". patentscope.wipo.int. Получено 2018-09-13.