Российские ученые разработали простой и эффективный способ получения аминированного графена

Изображения, полученные при помощи сканирующего электронного микроскопа: (a-b) частицы оксида графена, (d-e) частицы аминографена (Maxim K. Rabchinskii et al. Scientific Reports, 2020).

Легко масштабируемый метод синтеза аминографена – графена, модифицированного азотсодержащими химическими группами, предложен коллективом российских ученых из ФТИ им. А.Ф. Иоффе, ИТМО, НИЦ "Курчатовский институт", СПбАУ РАН, ФИЦ ХФ РАН и ряда других исследовательских организаций. Электрические и химические свойства, а также морфологические особенности полученного аминографена позволяют использовать его для разработки аддитивов и устройств нового поколения: катализаторов для водородных топливных элементов, гибридных суперконденсаторов, газовых мультисенсорных систем и систем «Электронный нос», апта- и иммуносенсоров для диагностики инфекционных заболеваний, в том числе COVID-19. Работа опубликована в Scientific Reports.

Чистый графен, состоящий из одного слоя атомов углерода, выстроенных в равносторонние шестиугольники, кардинально меняет свои свойства при наличии включений. Например, присутствие на поверхности графена кислородосодержащих соединений превращает отлично проводящий электрический ток, гидрофобный материал в свою противоположность – гидрофильный диэлектрик оксид графена. Модификация графена путем внедрения в его структуру различных функциональных групп позволяет управлять свойствами графена и постоянно расширять области его применения.

– Мы разработали простой, эффективный и легко масштабируемый метод получения аминированного графена – графеновых слоев, ковалентно модифицированных аминами, – и изучили, как такая функционализация отразится на свойствах материала, – рассказывает первый автор статьи в Scientific Reports, младший научный сотрудник Физико-технического института им. Иоффе Максим Рабчинский.

Исходным материалом служил оксид графена, который обрабатывался бромистоводородной кислотой, благодаря чему кислородосодержащие группы покидали поверхность графена (реакция восстановления), уступая место соединениям брома. Затем бромированный графен погружался в раствор аммиака, что приводило к замещению атомов брома аминогруппами и образованию аминированного графена с содержанием первичных аминов в концентрации до 4 ат.%. В опубликованных ранее работах для связи аминных групп с поверхностью графена использовались дополнительные молекулы-линкеры. В аминографене, полученном российскими учеными, амины связаны с графеном напрямую при помощи прочной ковалентной связи.

 

Изображения, полученные при помощи сканирующего электронного микроскопа: (а) микрочастица аминографена, (b) многослойная пленка аминографена, нанесенная на кремниевую подложку, (c) аэрогель из аминографена (Maxim K. Rabchinskii et al. Scientific Reports, 2020).

 

– Мы обнаружили, что такая функционализация приводит к увеличению проводимости материала по сравнению с восстановленным оксидом графена, а также к появлению локальных областей с относительно низким значением работы выхода материала, – говорит Максим Рабчинский. – Кроме того, используя оригинальную  методику анализа картины электронной дифракции, удалось показать, что несмотря на отсутствие дефектов в полученном материале, функционализация приводит к искажению графеновой решетки, возникновению множества поверхностных складок, которые формируют высокоразвитую поверхность аминографеновых частиц. Как результат, нам удалось получить аэрогели аминированного графена с высокой удельной площадью поверхности. Это открывает возможности применения аминированного графена в качестве основы для гетерогенных катализаторов, в частности, для водородной энергетики.

Высокая проводимость и химическая активность привитых на поверхность графена аминогрупп позволяет проводить функционализацию уже самого аминографена, например, для и изготовления датчиков различных газов и биомолекул.

Сферы применения полученного материала обобщил соавтор статьи в Scientific Reports, младший научный сотрудник Федерального исследовательского центра химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Максим Гудков:

– Аминографен является перспективным химическим производным графена для разработки материалов и устройств нового поколения, среди которых катализаторы для водородных топливных элементов, гибридные суперконденсаторы, газовые мультисенсорные системы и системы «Электронный нос», апта- и иммуносенсоры для диагностики различных инфекционных заболеваний, в том числе COVID-19.

(с) Русграфен.Медиа