허머스의 방법

Hummers' method

허머스의 방법은 흑연, 질산나트륨, 황산 용액에 과망간산칼륨을 첨가해 흑연산화물을 생성하는 데 사용할 수 있는 화학적 과정이다.그것은 기술자와 실험실 기술자들이 흑연 산화물의 양을 생산하는 신뢰할 수 있는 방법으로 일반적으로 사용된다.그것은 또한 그래핀 산화물이라고 알려진 물질의 1분자 두께 버전의 생성에서도 수정될 수 있다.

산화 흑연

흑연산화물의 분자모형
주요기사 : 흑연산화물

흑연 산화물은 탄소, 산소, 수소의 화합물로, 탄소의 2.1과 2.9 사이의 비율이 있다.흑연 산화물은 전형적으로 노란색을 띤 고체다.단분자 시트를 형성하는 데 사용되면 그래핀 산화물이라고도 한다.

방법

허머스의 방법은[1] 1958년 흑연 산화물을 보다 안전하고 빠르고 효율적으로 생산하는 방법으로 개발되었다.이 방법이 개발되기 전에는 농축된 황산과 질산을 사용했기 때문에 산화 흑연 생산은 느리고 위험했다.Staudenmeier-Hoffman-Hamdi 방법은[2] 염소산 칼륨을 첨가하는 방법을 도입했다.그러나 이 방법은 더 많은 위험을 가지고 있었으며 염소산칼륨 10그램에 흑연산화물 1그램이 생성되었다.[3]

윌리엄 S. 허머스와 리차드 E. 오프맨은 National Lead Company의 노동자들에게 그들이 제기하는 위험성에 주목한 후 상기 방법의 대안으로 그들의 방법을 만들었다.그들의 접근법은 농축산 용액에 흑연을 첨가하는 것과 유사했다.그러나 흑연, 농축황산, 질산나트륨, 과망간산칼륨으로 단순화했다.또한 98 °C 이상의 온도를 사용할 필요가 없었으며 Staudenmeier-Hoffman-Hamdi 방법의 대부분의 폭발 위험을 피했다.

시술은 흑연 100g과 질산나트륨 50g을 66℃에서 2.3L의 황산에 넣고 0℃로 식힌다.그런 다음 과망간산칼륨 300 g을 용액에 넣고 저어준다.그런 다음 용액이 약 32리터가 될 때까지 물을 증분 첨가한다.

최종 용액은 약 0.5%의 고형분을 함유하여 불순물을 세척하고 오산화 인으로 수분을 제거한다.

화학 방정식과 효율성

허머스의 방법에 수반되는 기본적인 화학반응은 흑연의 산화로서 순수한 탄소 그래핀에 산소의 분자를 도입한다.그래핀과 농축 황산 사이에 과망간산칼륨과 질산나트륨이 촉매 역할을 하는 반응이 일어난다.이 공정은 약 188g의 흑연 산화물을 100g의 흑연으로 산출할 수 있다.생성되는 탄소와 산소의 비율은 흑연 산화물의 특징인 1 - 2.1–2.9 범위 내에 있다.오염물질은 대부분 재와 물로 결정된다.이 과정에서 이산화질소와 이산화질소 같은 유독가스가 진화한다.최종 산물은 일반적으로 탄소 47.06%, 산소 27.97%, 물 22.99%, 재 1.98%로 탄소 대 산소 비율이 2.25이다.이 모든 결과는 앞서 나온 방법과 견줄 만하다.

Hummers 공법과 Staudenmeier 공법의[1] 비교
방법 % 탄소 % 산소 % 물 % 회분 탄소-산소 원자비
허머스 47.06 27.97 22.99 1.98 2.25
스토우덴마이어 52.112 23.99 22.2 1.90 2.89

의의

비교적 높은 C/O 비율을 유지하면서 흑연 산화물을 생산하는 기존 방식 중 가장 빠르기[4] 때문에, 흑연 산화물을 다른 용도로 사용하는 데 관심이 있는 많은 연구자나 화학자들이 이 방법을 택해 왔다.연구자들과 화학자들이 시간 제한 내에 다량의 흑연 산화물을 도입하고 있을 때, 허머스의 방법은 대개 어떤 형태로든 참조된다.

현대 변주곡

산화 흑연은 2004년 그래핀 발견 이후 과학계의 주목을 끌었다.많은 팀들이 그래핀 대량생산의 지름길로 흑연산화물을 활용하는 방안을 모색하고 있다.지금까지 이러한 방법으로 생산되는 물질은 흑연에서 직접 생산되는 물질보다 결점이 더 많은 것으로 나타났다.허머스의 방식은 흑연산화물을 대량으로 생산하는 손쉬운 방법이기 때문에 여전히 관심의 요지로 남아 있다.

다른 그룹들은 Hummers의 방법을 더 효율적이고 환경 친화적으로 만들기 위해 개선하는데 초점을 맞추었다.그러한 프로세스 중 하나는 프로세스에서 NaNO의3 사용을 제거하는 것이다.[5][6]설득력(SO282−)을 추가하면 흑연의 완전한 산화 및 각질을 보장하여 개별 흑연 산화판의 정지를 산출한다.질산염 제거는 이산화질소, 이산화질소 등 기체의 생산을 멈추기 때문에 유리하기도 하다.

산화물 그래핀 분자의 구조모델

미래 용도

그래핀 외에도 허머스의 방식은 광촉매의 관심 지점이 됐다.[7]산화 흑연이 햇빛 속에서 발견되는 많은 빛의 파장에 반응한다는 것을 발견한 후, 연구팀은 물과 유기 물질의 분해에서 반응 속도를 높이기 위해 흑연을 사용하는 방법을 연구해왔다.이러한 실험에서 흑연 산화물을 생산하는 가장 일반적인 방법은 허머스의 방법이었다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b Hummers, William S.; Offeman, Richard E. (March 20, 1958). "Preparation of Graphitic Oxide". Journal of the American Chemical Society. 80 (6): 1339. doi:10.1021/ja01539a017.
  2. ^ Ojha, Kasinath; Anjaneyulu, Oruganti; Ganguli, Ashok (10 August 2014). "Graphene-based hybrid materials: synthetic approaches and properties" (PDF). Current Science. 107 (3): 397–418. Retrieved 7 November 2014.
  3. ^ Murray-Smith, Robert. "How to make graphene oxide". YouTube. Retrieved 16 November 2014.
  4. ^ Ciszewski, Mateusz; Mianowski, Andrzej (2013). "Survey of graphite oxidation methods using oxidizing mixtures in inorganic acids". Chemik. 67 (4): 267–274. Retrieved 15 November 2014.
  5. ^ Kovtyukhova, N.I.; Ollivier, P.J.; Martin, B.J.; Mallouk, T.E.; Chizhik, S.A.; Buzaneva, E.V.; Gorchinskiy, A.D. (January 1999). "Layer-by-Layer Assembly of Ultrathin Composite Films from Micron-Size Graphite Oxide Sheets and Polycations". Chemistry of Materials. 11 (3): 771–778. doi:10.1021/cm981085u.
  6. ^ Chen, Ji; Yao, Bowen; Li, Chun; Shi, Gaoquan (November 2013). "An improved Hummers method for eco-friendly synthesis of graphene oxide". Carbon. 64: 225–229. doi:10.1016/j.carbon.2013.07.055.
  7. ^ Tu, Wenguang; Zhou, Yong; Zou, Zhigang (October 2013). "Versatile Graphene-Promoting Photocatalytic Performance of Semiconductors: Basic Principles, Synthesis, Solar Energy Conversion, and Environmental Applications". Advanced Functional Materials. 23 (40): 4996–5008. doi:10.1002/adfm.201203547. S2CID 98775617.