روش های احیای گرافن اکسید

معمولاً GO از لحاظ حرارتی ناپایدار است و به سهولت با حذف گروه های اکسیژن‌دار احیا (به طور جزئی) می‌شود. ورقه‌های اکسید گرافنِ احیاشده (RGO) معمولاً به عنوان یک نوع گرافنِ حاصل از روش شیمیایی در نظر گرفته می شوند. همچنین، احیای GO روشی مهم برای تولید گرافن است. در مقایسه با GO، RGO به دلیل از دست دادن گروه‌های اکسیژن دار، دارای نسبت C:O بیشتری است. بسته به روش ساخت، اکسید گرافنِ تولیدشده دارای ترکیب شیمیایی از محدوده C8O2H3 تا  C8O4H5  می باشد که دارای نسبت C:O مربوطه از ۴:۱ تا ۲:۱ است. پس از احیا، نسبت C:O در اکثر موارد می تواند به حدود ۱۲:۱ و حتی بزرگتر تا ۲۴۶:۱ برسد. به طور کلی، سه نوع روش احیا برای GO وجود دارد: احیای حرارتی، احیای شیمیایی و احیای چند مرحله ای. احیای حرارتی می‌تواند از طریق تابش حرارتی، تابش مایکروویو، تابش فوتون و سایر منابع حرارتی غیرمرسوم حاصل شود. احیای شیمیایی معمولاً توسط عوامل شیمیایی یا دیگر فرآیندهای شیمیایی برای حذف گروه‌های حاوی اکسیژن می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
 هر دو فرآیند احیای حرارتی و شیمیایی اغلب در یک مرحله انجام می شوند. اما احیای چند مرحله ای می تواند بازدهی احیا را برای برخی مقاصد خاص، بیشتر بهبود دهد. یک نوع احیای چند مرحله ای که دارای سه گام بود توسط گائو و همکارانش ارائه شد. این فرآیند شامل گام‌های اکسیژن‌زدایی ، آب‌زدایی  با اسید سولفوریک غلیظ و آنیل حرارتی بود. در مقایسه با دیگر روش‌های احیا، احیای شیمیایی می تواند در دماهای پایین یا متوسط به کمک عوامل احیاکننده رخ دهد. در ادامه جزئیات چند روش احیای شیمیایی بیان می شود.
روش های احیای گرافن اکسید

یک روش مرسوم برای احیای شیمیایی، احیا به وسیلۀ عوامل شیمیایی است که در آن GO توسط عوامل شیمیایی احیا می شود. تاکنون، عوامل شیمیایی مختلفی از جمله هیدرازین، الکل، سدیم بوروهیدرید، اسید هیدریودیک  به همراه اسید استیک، سدیم/پتاسیم هیدروکسید، پودر آلومینیوم/ آهن، آمونیاک، هگزیل آمین، ترکیبات حاوی گوگرد، هیدروکلرید هیدروکسیل‌آمین، اوره، لیسوزیم ، ویتامین ث، اِن-متیل-۲-پیرولیدینون، پلی(نوراپی‌نفرین) ، BSA، نانوذرات  ، اکسید منگنز و تنفس باکتری  به کار برده شده اند. در بین این مواد، نخستین و رایج ترین ترکیب، هیدرازین  است که قادر به تولید اکسید گرافنِ بسیار احیاشده تحت شرایط دما پایین می‌باشد. استانکوویچ و همکارانش اولین احیای سوسپانسیون کلوئیدیِ ورقه های اکسید گرافنِ لایه بردای‌شده در آب با هیدرازین هیدرات را گزارش کردند که منجر به تجمع و سپس تشکیل مادۀ کربنیِ با سطح ویژه بالا شد که این ماده شامل ورقه-های نازک پایه گرافنی بود. در این روش، احیای GO با افزودن هیدرازین هیدرات به سوسپانسیون GO و حرارت دهی آن در حمام روغن در دمای  ۱۰۰ تحت یک مبرّد آب‌گرد به مدت ۲۴ ساعت انجام شد.
<img src="http://namago.ir/wp-content/uploads/2017/10/photocatalyst-300x183.jpg" alt="" width="300" height="183" class="alignnone size-medium wp-image-3327" />
تغییر رنگ GO نشان دهنده احیای فوتوکاتالیستی به کمک TiO2  و همچنین، دو فرآیند شیمیایی اصلی در حین احیای فوتوکاتالیستی

 امروزه بیشترین هدایت لایه‌های RGO که فقط با هیدرازین احیا شده‌اند و دارای نسبت C:O حدود ۱۲٫۵ هستند، S/cm 99.6 می‌باشد. اما هیدرازین سمی است و این موضوع مانع کاربرد وسیع آن در تولید انبوه RGO می‌شود. برای رفع این نقص، بسیاری عوامل احیاکنندۀ غیرسمی دیگر همچون الکل، سدیم/پتاسیم هیدروکسید، سدیم بوروهیدرید، اسید هیدریودیک و اسید استیک به کار برده می شوند.
دیگر روش احیای شیمیایی، احیای فوتوکاتالیستی به کمک یک مادۀ فوتوکاتالیست مانند TiO2 است. به کمک ذرات TiO2 تحت تابش نور ماوراءبنفش (UV)، رنگ GO در حالت کلوئیدی از قهوه ای کمرنگ به قهوه ای تیره و سپس به مشکی تغییر می-کند، که می توان آن را به عنوان نشانۀ احیای GO تلقی کرد (شکل پایین). این تغییر رنگ از طریق ترمیم جزئی شبکه جفت‌شده  در صفحه کربن توضیح داده می شود. به علاوه، این احیای فوتوکاتالیستی را می توان به دو فرآیند شیمیایی نسبت داد که در فرمول‌های موجود در شکل پایین شرح داده شده‌اند. با تابش UV، جدایش بار روی سطح ذرات TiO2  رخ می دهد. در حضور اتانول، حفرات زدوده می‌شوند تا رادیکال‌های اتوکسی ایجاد شوند که آنها نیز به نوبۀ خود، الکترون‌هایی را درون ذرات TiO2  به صورت انباشته باقی می‌گذارند. الکترون‌های انباشته‌شده با ورقه های GO برهمکنش کرده و گروه‌های عاملی را احیا می‌کنند.
به علاوه، گروه‌های اکسیژن‌دار در GO را می توان به وسیله احیای الکتروشیمیایی حذف کرد. احیای الکتروشیمیاییِ GO در یک پیل الکتروشیمیایی معمولی با استفاده از یک محلول آبی بافر در دمای اتاق انجام می شود. احیا معمولاً نیاز به عامل شیمیایی خاصی ندارد و اغلب با تبادل الکترون بین GO و الکترود ها رخ می دهد. بنابراین احیای الکتروشیمیایی برای جلوگیری از به‌کارگیری احیاگرهای خطرناک (مانند هیدرازین) و حذف محصولات فرعی، سودمند است. در سال ۲۰۰۹، رامشا و سامپات احیای الکتروشیمیایی GO را مورد مطالعه قرار دادند. 
پس از رسوب یک لایه نازک از GO روی یک زیرلایه (شیشه، پلاستیک، ITO و غیره)، یک الکترود خنثی در مقابل لایه در پیل الکتروشیمیایی قرار گرفت و فرآیند احیا در حین باردهی به پیل اتفاق افتاد. آنها دریافتند که احیای GO در   ۰٫۶- ولت شروع می شود و به بیشترین مقدار در ۰٫۸۷- ولت می رسد. در آزمایشی که توسط ژو و همکارانش انجام شد، نمونه RGO به نسبت C:O برابر ۲۳٫۹ و هدایت S/cm 85 رسید. به علاوه، احیا را می توان از طریق مقدار pH محلول بافر کنترل کرد. مقدار pH کم برای احیای GO مطلوب است که بیانگر آن است که یونهای +H ممکن است در واکنش شرکت نمایند.


منبع: اکسید گرافن، مبانی فیزیکی و کاربردها
ترجمه : دکتر میثم جلالی و دکتر مهدی ملکی
http://vaavak.com/product/vp-000738/