Micrografías ópticas que muestran la transición de GIC de etapa 2 a GIC de HOPG de etapa 1. Luz reflejada. Las áreas de la etapa 2 son de color blanco verdoso. Las áreas de la etapa 1 son azules. Las áreas de color rojo son la etapa mixta. Nota, el tinte verdoso de la superficie de grafito en los paneles (a, b) es el artefacto del procesamiento digital; el color real es casi blanco. La característica blanca sin forma a la derecha de las micrografías es una burbuja de aire. Adquirido con la muestra SPI-3 HOPG. Crédito:Universidad Federal de Kazán
En 2012-2013, una colaboración de investigación internacional descubrió un fenómeno que podía observarse a través de un microscopio óptico durante las transiciones de etapa en compuestos de intercalación de grafito. El líder del equipo, el Dr. Ayrat M. Dimiev, llevó seis años de investigación adicional, incluyendo experimentos adicionales en la Universidad Federal de Kazán, para comprender completamente las fuerzas impulsoras detrás de los fenómenos observados.
Los experimentos se realizaron con la participación de Ph.D. graduada Ksenia Shukhina. Un avance importante provino del uso del mapeo Raman ultrarrápido de la superficie de grafito durante las transiciones de etapa. El documento conjunto ruso-estadounidense apareció en The Revista de química física C .
Los compuestos de intercalación de grafito (GIC) se forman mediante la inserción de ciertas especies atómicas y moleculares entre las capas de grafeno de grafito. Los compuestos resultantes poseen una gama de propiedades únicas, que no son específicos para los materiales de origen. Entre las propiedades más intrigantes de GIC está su superconductividad, un descubrimiento que despertó mucho interés. Dependiendo del potencial electroquímico del intercalante y la carga respectiva en las capas de grafeno, grafito forma estructuras donde uno, dos o más capas de grafeno se intercalan entre las dos capas de intercalante. Los compuestos resultantes se denominan etapa-1, Etapa 2, y GIC de etapa 3, respectivamente. A pesar de la investigación intensiva y duradera sobre las GIC, el mecanismo de las transiciones escénicas permanece oscuro.
En este estudio, Los autores utilizaron microscopía óptica y Raman para realizar análisis directos, monitoreo en tiempo real de las transiciones de etapa en H 2 ASI QUE 4 -GIC fabricado con grafito pirolítico altamente orientado (HOPG). Observaron que las transiciones de etapa en GIC basadas en HOPG ocurren de manera muy diferente a las de GIC hechas de grafito en escamas natural. Durante la transición de la etapa 2 a la etapa 1, La formación de la fase de la etapa 2 comienza casi simultáneamente sobre toda la superficie de grafito que está expuesta al medio.
Esto se atribuyó al movimiento de las pequeñas porciones intercalantes hacia los puntos de atracción, creciendo así islas continuas. Sin embargo, durante el proceso inverso, la transición de la etapa 1 a la etapa 2 comienza estrictamente desde los bordes de la muestra de grafito y se propaga hacia su centro. La observación más llamativa fue que el frente de desintercalación era discontinuo; a saber, los dominios de tamaño micrométrico seleccionados de la superficie de grafito se desintercalan preferentemente para liberar la tensión que había sido inducida por la intercalación. La dinámica intercalante en las galerías de grafito 2-D, ocurriendo a la velocidad de> 240 m / s, tiene una cinética rápida. El proceso de intercalación inicial es diferente al resto de los ciclos de reintercalación. La diferencia en los mecanismos de las transiciones de etapa en los GIC basados en grafito en escamas naturales y en los GIC basados en HOPG ejemplifica el papel de la estructura del grafito para la dinámica intercalante en las galerías de grafito 2-D.
Los hallazgos hechos en este estudio hacen avanzar el campo del grafeno y tienen varias aplicaciones potenciales. Los GIC pueden considerarse como pilas de grafeno dopado, que se puede preparar fácilmente mediante reacciones completamente reversibles; el nivel de dopaje puede controlarse fácilmente mediante las condiciones de reacción. En segundo lugar, la intercalación debilita las fuerzas adhesivas entre las capas de grafeno adyacentes. Por lo tanto, Los GIC sirven como precursores para la obtención de nanoplaquetas de grafeno y grafeno de capa única mediante exfoliación en fase líquida. Tercera, Los GIC sirven como intermedios importantes e inevitables en el camino hacia la funcionalización covalente del grafeno debido a la condición cargada de los átomos de carbono. Finalmente y lo más importante, El funcionamiento de la batería de iones de litio se basa en la intercalación-desintercalación cíclica de iones de litio con grafito. Comprender el mecanismo de transición de etapa ayudará a avanzar en todas estas aplicaciones.
El líder del equipo Ayrat Dimiev concluye:"Las transiciones de etapa estudiadas en el H 2 ASI QUE 4 -Los GIC están acompañados por la transferencia de protones hacia y desde el ácido sulfúrico intercalado que ocurre por el mecanismo de Grotthuss, es decir, es ultrarrápido y "sin fricción". Estamos pensando en comprobar si eso es cierto. En caso afirmativo, estos sistemas se pueden utilizar como conductores de protones en las pilas de combustible de hidrógeno. Otra dirección es desarrollar un procedimiento eficiente y de alto rendimiento para la exfoliación en fase líquida de grafito a grafeno monocapa ".
