Název:
GRAFEN VERSUS MWCNT; POROVNÁNÍ DVOU FOREM UHLÍKU V DETEKCI TĚŽKÉHO KOVU
Školitel:
Mgr. Dana Fialová
Datum:
15.3.2013
Reg.č.projektu: CZ.1.07/2.3.00/20.0148 Název projektu: Mezinárodní spolupráce v oblasti "in vivo" zobrazovacích technik
Program 1. Úvodní informace o významu uhlíku 2. Formy uhlíku, nanoformy uhlíku, grafen, trubice, fulereny 3. Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů
2
UHLÍK – CARBON - nekovový prvek znám od 2. pol. 18.století - základní stavební kámen všech organických sloučenin a živých organismů - charakteristickou vlastností atomů uhlíku je schopnost vytvářet řetězce, to je dáno mimořádnou pevností jednoduché a dvojné vazby C-C - v elementárním stavu se vyskytuje v přírodě ve dvou základních alotropních modifikacích (grafit, amorfní uhlík a diamant) - v posledních 30 letech byly objeveny v přírodě nebo laboratorně vytvořeny další modifikace
3
Diagram vlivu druhu vazeb mezi atomy na vznik modifikací uhlíku
4
NEJNOVĚJŠÍ OBJEVY 1985 1991 1993 1995 1996 2001 2002 2002 2003 2003 2004 2004 2010
objev fullerenů objev uhlíkových nanotrubic výroba nanotrubic ve velkém uhlíkové anody pro lithiové dobíjecí články Nobelova cena za fyziku za objev fullerenů monokrystaly z uhlíkových nanotrubic použití diamantu na polovodičové součástky připravena uhlíková nanopěna použití fullerenů v medicíně tranzistor z uhlíkových nanotrubic vlákno v žárovce z uhlíkových nanotrubic zjištěny paramagnetické vlastnosti uhlíkových nanopěn Nobelovu cenu za fyziku pro objevitele grafenu
5
Nejznámější formy uhlíku Skelný uhlík (glassy carbon, GC) má výborné mechanické i elektrické vlastnosti, je chemicky inertní a má široké potenciálové okno (zejména v anodické oblasti). Povrch GC elektrod se upravuje před každým měřením nejčastěji leštěním vodnou suspenzí aluminy (Al2O3, velikost částic 0,3 příp. 0,05 μm) do zrcadlového lesku.
Má vysokou biokompatibilitu, proto nachází využití v medicinální praxi na implantáty. Pro elektrochemii je důležitý fakt, že povrchy elektrod ze skelného grafitu jsou chemicky vysoce odolné a lze na nich dosáhnout vysokého kladného potenciálu, aniž by docházelo k jejich rozpuštění jako u normálních kovových elektrod. Využití při zkoumání elektrochemických vlastností organických molekul a pro preparativní oxidaci při výrobě některých sloučenin. 6
Grafen je forma uhlíku, kterou tvoří jedna či několik málo vrstev rovinné sítě vzájemně propojených atomů uhlíku uspořádaných do tvaru šestiúhelníků (hybridizace sp2). Jedná se o vlastně strukturní součást grafitu, která si vzhledem ke zvláštním fyzikálním vlastnostem, výborné tepelné vodivosti (přes 4000 W·m-1·K-1 u izotopicky čištěného grafenu) a využitelností pro mnohé elektronické a optické aplikace zasloužila vlastní název i Nobelovu cenu za fyziku v r. 2010 pro své objevitele. Grafit (tuha) je nejčastější přírodní modifikace uhlíku, jejíž struktura se skládá z vrstev tzv. grafenu, které jsou tvořeny uhlíky navázanými do šestiúhelníků. Na každý uhlík jsou kovalentně vázany další tři uhlíky (hybridizace sp2). Tvoří se zde rozsáhlý systém delokalizovaných elektronů (π-systém). Jednotlivé vrstvy spolu drží pouze pomocí slabých interakcí tzv. van der Waalsovy síly. Této vlastnosti se využívá např. při výrobě tužek, kde mletá tuha tvoří základní složku tyčinky určené pro psaní a kreslení. Grafit vede elektrický proud. 7
Uhlíkové nanotrubice a nanorohy (carbon nanotube and nanocone) -nejmodernější uhlíkový materiál, jsou to uměle vyrobené mikroskopické trubičky složené z válcově svinuté vrstvy grafenu o průměru pouhých několika (1 - 100) nanometrů -zachycují velké objemy plynů, iontů, vyztužují polymerní vlákna a slouží jako základní materiál v nanotechnologiích -ve struktuře se vyskytují uhlíky s hybridizací sp2 a některé formy mají zajímavé elektrické (polovodivé) vlastnosti. -objemová výroba vychází z katalytického rozkladu plynů obsahujících vhodně vázaný uhlík na vhodných podložkách (katalyzátory obsahují Ni, Fe apod.) -nanotrubice mají téměř v celém objemu stejnou tloušťku a mohou být jednovrstvé (single walled nanotube – SWNT) nebo vícevrstvé (multiwalled nanotube – MWNT) -rychlý katalytický růst - vznik útvarů ve tvaru nanorohů
8
Fullereny jsou molekuly, tvořené atomy uhlíku uspořádanými do vrstvy z pěti- a šestiúhelníků s atomy ve vrcholech, která je prostorově svinuta do uzavřeného tvaru (nejčastěji do tvaru koule nebo elipsoidu). Vzhledem k této struktuře jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. V dutině molekuly fullerenu může být uzavřený jiný atom, několik atomů či malá molekula.
Uhlíková nanopěna (carbon nanofoam) je nejnovější poznanou formou uhlíku. Připravil ji tým fyziků z australské národní laboratoře v Canbeře poté, co vystavil uhlíkový terčík v argonové atmosféře působení výkonného laserového pulsního systému. Mikrostruktura, která se vytvořila po zahřátí na teplotu 10 000 °C, připomíná jakési vzájemně pospojované sítě uhlíkových trubiček, 5 nm dlouhých. Vnitřní struktura uhlíkové nanopěny obsahuje 35% uhlíků v hybridizaci sp3 a na rozdíl od všech dosud známých diamagnetických forem uhlíku vykazuje paramagnetické chování. 9
Experiment: Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů Kalibrace: metoda diferenční pulsní voltametrie, DPV, 3-eldový systém Pracovní elda: uhlíková pasta CPE
1. MWCNT 2. MWCNT + GRAFEN (75:25)
Výška píku nA
75% MWCNT + 25% GRAFEN MWCNT
Koncentrace Cd μM
10
Experiment: Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů
Množství Cd v %
50 mg MWCNT + 1ml 100 μM Cd 37,5 mg MWCNT + 12,5 mg GRAFENU + 1ml 100 μM Cd Podmínky: 25°C, třepačka 500 rpm, 1hod, 24 hod, centrifugace 10 min., filtrace přes membránový filtr, detekce Cd v supernatantu - AAS
120 100 80 60 40 20 0
MWCNT + GRAFEN
95 %
MWCNT
99 %
99 %
50 %
1H
24 H
11
Poděkování René Kizek David Hynek Pavel Kopel Marie Konečná
Děkuji Vám za pozornost
12
