Hoppa direkt till innehållet
printicon
Huvudmenyn dold.
Publicerad: 2021-12-14

Svällning av flerskiktade grafenoxidmaterial har studerats

NYHET Grafitoxid är ett flerskiktat material som framställs genom oxidation av grafit. Det kan användas som utgångspunkt för framställning av många material för olika tillämpningar. I sin avhandling i fysik vid Umeå universitet, har Artem Iakunkov gjort omfattande studier av vissa grundläggande egenskaper hos grafitoxider, kemisk modifiering och testning för flera viktiga tillämpningar.

Text: Anna-Lena Lindskog

I hans forskning användes grafitoxid för att framställa grafenoxid och flerskiktade grafenoxidmembran. De omvandlades till grafenrelaterade porösa material för tillämpningar i energilagringsanordningar. De gjordes också i en extremt defekt form för att kunna avlägsna farliga radioaktiva föroreningar från vatten. 

Den viktigaste egenskapen hos grafitoxid- och grafenoxidmembran som är relaterad till filtreringsegenskaper är svällning.  Svällning uppstår när material suger in vatten eller alkoholer i utrymmet mellan grafenoxidskikten. Det expanderar dess struktur och ger mindre än en nanometer små "kanaler" för diffusion av vatten och till exempel saltjoner från havsvatten.  Forskarna hoppas kunna använda dessa egenskaper för avsaltning av vatten genom att göra mellanskikten tillräckligt stora för att vatten ska kunna tränga in, men för små för att salter ska kunna spridas.  

– Därför har vi studerat grafitoxidens svällning i olika lösningsmedel och i lösningar och observerat förändringen av avståndet mellan skikten, säger Artem Iakunkov.

Svällning resulterar i en kraftig expansion av materialets volym och om expansionen sker under begränsade förhållanden uppstår ett svällningstryck. Överraskande nog har svällningstrycket aldrig uppmätts för grafitoxid- och grafenoxidmembran. I de experiment som presenteras i avhandlingen redovisas de första mätningarna av svällningstryck för grafitoxider i bulk (upp till 220 bar) och grafenoxidmembran (upp till 20 bar). Svällningstrycket är en viktig parameter som måste beaktas vid membrantillämpningar av grafenoxid.

Ett annat överraskande resultat var att grafenoxidmembranens svällning minskar om proverna förvaras i luft i flera månader och att de nästan helt försvann efter några år.  Prover som lagrats i luft i fem år blir ogenomträngliga för alla undersökta molekyler (till exempel alkoholer) utom vatten. I vissa tidigare studier har antytts att grafenoxid är metastabil och att den kemiska sammansättningen förändras spontant efter syntes. De studier som presenteras i avhandlingen visar att åldrande i luft av grafenoxidmembran är en kemisk process som börjar på membranytan och med tiden sprider sig till lager under ytan.

– Grafitoxid rapporteras vara ett lovande material för sorptionstillämpningar. Vi har konstruerat en ny grafenoxid där vi lagt till ett ökat antal små hål på ytan. Vi har visat att införandet av nya sådana defekter avsevärt kan öka sorptionskapaciteten för radionuklider, säger Artem Iakunkov.

Slutligen kan grafitoxid omvandlas till reducerad grafenoxid och aktiverad grafen. Båda materialen har visat lovande egenskaper för superkondensatortillämpning. En superkondensator är en energilagringsanordning som kan generera betydligt mer energi jämfört med vanliga litiumbatterier.

– Den största nackdelen med superkondensatorer är den låga energitätheten. Vi har undersökt korrelationer mellan olika strukturella parametrar och energitätheten hos grafenrelaterade superkondensatorer. Vi har varierat ytarea, porstorleksfördelning, syrehalt och konduktivitet för att hitta en optimal uppsättning egenskaper som krävs för bästa superkondensatorprestanda, säger Artem Iakunkov.

Läs hela avhandlingen

Om avhandlingen:
Fredagen den 17 december försvarar Artem Iakunkov, Institutionen för fysik, Umeå universitet, sin avhandling med titeln Materials prepared using graphite oxides: properties and applications. Svensk titel: Material framställda med grafitoxider: egenskaper och tillämpningar. Disputationen äger rum klockan 13.00 i rum NAT.D.440, Naturvetarhuset, Umeå universitet. Dr Josef Breu, professor i oorganisk kemi, universitetet i Bayreuth, Tyskland.

För mer information, vänligen kontakta:

Artem Iakunkov, doktorand, Institutionen för fysik, Umeå universitet
Telefon: 076-796 11 05
E-post: artem.iakunkov@umu.se

Pressbild