Исследование из Бразилии и Италии открывает новый способ синтеза фуллеренов
Учёные из Университета Сан-Паулу (USP) в Бразилии и Университета «Ла Сапиенца» в Риме, Италия, синтезировали фуллерены и полые сферические частицы графена, используя только природный графит, этанол, воду и гидроксид натрия в условиях окружающей среды. Исследование опубликовано в журнале Diamond and Related Materials.
«Наша работа показывает, что можно получить фуллерены, включая так называемые гигантские фуллерены, состоящие из 190 атомов углерода, с помощью простого электрохимического процесса, без катализаторов и высоких температур», — говорит Хосе Маурисио Розолен, исследователь из USP, профессор кафедры химии факультета философии, наук и литературы в Рибейран-Прето (FFCLRP-USP) и координатор исследования.
«Этот метод прокладывает путь к новым формам органического синтеза и технологическим приложениям, которые ещё предстоит изучить», — прогнозирует исследователь.
Что такое фуллерены?
Фуллерены — это сферические молекулы, полностью состоящие из атомов углерода. Одним из известных примеров является C60, также известный как «бакминстерфуллерен», потому что его углеродные сферы имеют ту же конфигурацию, что и геодезический купол, созданный американским дизайнером, архитектором и изобретателем Бакминстером Фуллером (1895–1983).
С момента их открытия в 1985 году эти структуры изучаются из-за их уникальных электронных и структурных свойств. В 2010 году фуллерены впервые были обнаружены в космосе с помощью космического телескопа NASA «Спитцер». Более точно, они были найдены в планетарной туманности Tc 1, которая расположена примерно в 6000 световых годах от Земли.
Однако производство фуллеренов, содержащих более 100 атомов углерода, известных как «гиганты», в лабораторных условиях оставалось сложной задачей из-за высоких температур, необходимых для того, чтобы атомы углерода расположились в сферической конфигурации, обычно в диапазоне от 3000 °C до 4000 °C.
В новом исследовании учёные продемонстрировали, что анодная поляризация графита в электрохимической ячейке индуцирует образование, вероятно, окислённых листов графена, которые самопроизвольно собираются в фуллерены и полые сферы.
Методы исследования
Конечный продукт был охарактеризован с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), атомной силовой микроскопии (АСМ), просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ ВР), масс-спектрометрии (MALDI-TOF) и видимой ультрафиолетовой спектроскопии (УФ-Вид).
«Мы наблюдали скопления сферических частиц различных размеров, от структур, похожих на мыльные пузыри, размером 10 нанометров до крупных деформируемых сфер размером до 320 нанометров, заключённых между сетями углеродных нанотрубок», — говорит Розолен.
Исследование также использовало масс-спектрометрию для идентификации характерных пиков хорошо изученных фуллеренов (C₆₀ и C₇₀) и более крупных фуллеренов (C₁₄₆, C₁₆₂, C₁₇₆ и C₁₉₀). Последовательные пики, разделённые примерно на 160 единиц, указывают на фрагментацию из-за потери групп C₁₂. Это предполагает наличие иерархических процессов сборки.
«Формирование структур критически зависит от присутствия гидроксильных радикалов [●OH] и гидроксильных ионов [OH⁻], образующихся в результате электрохимического окисления воды и действия этанола. Эти радикалы атакуют края и дефекты графита, фрагментируя листы и способствуя отслаиванию материала», — объясняет Розолен.
Статья показывает, что, когда приложенное электрическое напряжение превышает 10 В, производство фуллеренов резко снижается, и углеродные наноточки (квантовые точки) преобладают над сферическими структурами.
Результаты предполагают, что самоорганизация окисленного графена в фуллерены зависит от тонкого баланса нескольких факторов: концентрации ●OH радикалов и OH⁻ ионов, типа и размера используемых частиц графита, времени поляризации и приложенного напряжения.
«С помощью этой работы мы открыли возможность производства гигантских фуллеренов с помощью доступного и экологически чистого электрохимического метода», — говорит Розолен. «Ещё многое предстоит понять в механизмах формирования этих структур, но результаты многообещающие».
Исследование поддержано FAPESP.