Uhlíkové struktury vázající ionty těžkých kovů 7. června/June 2013 9:30 h – 17:30 h Laboratoř metalomiky a nanotechnologií, Mendelova univerzita v Brně a Středoevropský technologický institut Budova D, Zemědělská 1, 613 00 Brno http://web2.mendelu.cz/af_239_nanotech/index.php
Mgr. Dana Fialová Reg.č.projektu: CZ.1.07/2.4.00/31.0023 Název projektu: Partnerská siť centra excelentního bionanotechnologického výzkumu
Obsah 1. Úvodní informace o významu uhlíku 2. Formy uhlíku, nanoformy uhlíku, grafen, expandovaný uhlík 3. Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů 4. Shrnutí
2
7.6.2013
UHLÍK – CARBON -
nekovový prvek znám od 2. pol. 18.století základní stavební kámen všech organických sloučenin a živých v elementárním stavu se vyskytuje v přírodě ve dvou základních alotropních modifikacích (grafit a diamant) v posledních 30 letech byly objeveny v přírodě nebo laboratorně vytvořeny další modifikace Uhlík nám dává:
- nejpevnější vlákna - nejlepší mazadlo – grafit - nejpevnější a nejtvrdší materiál – diamant - nejlepší adsorbent plynů – aktivní uhlí - nejlepší heliovou bariéru – skelný uhlík - nové objevy jako je molekula fullerenu, nanotrubice, nanopěny
3
7.6.2013
NEJNOVĚJŠÍ OBJEVY 1985 1991 1993 1995 2001 2002 2002 2003 2003 2004 2004
4
objev fullerenů objev uhlíkových nanotrubic výroba nanotrubic ve velkém uhlíkové anody pro lithiové dobíjecí články 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
7.6.2013
Uhlíky používané v naší laboratoři
Skelný uhlík (glassy carbon, GC) je monolitický negrafitující uhlík s velkou isotropií strukturních i fyzikálních vlastností, prakticky nepropustný pro kapaliny i plyny. Vyrábí se pyrolýzou termosetových polymerů, které mají vytvořenu trojrozměrnou strukturní síť. Používá se jako náhrada platiny či křemenného skla v chemických laboratořích, v metalurgii a k výrobě stavebních prvků v jaderné technice. Má vysokou biokompatibilitu, proto nachází využití v medicinální praxi na implantáty.
Skelný uhlík 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 5
7.6.2013
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 Nobeovu 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. 6
7.6.2013
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
7
7.6.2013
Experiment Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů Navážka: 10 mg uhlíku Interakce: 1 ml (100 µM Cd) s 10 mg uhlíku, t= 25°C, míchání Doba interakce: 1; 3; 6; 12; 24 hodin Centrifugace: 10 min. 2,800 rpm Filtrace: vzorky přefiltrovat přes 0,45 µm filtry Elektrochemická detekce : DPV, LSV, (WE - HMDE, RE - Ag/AgCl/3MKCl, AE - Pt drátek, depozice -1,2 V; 240s) W A
R
Tříelektrodové zapojení
8
7.6.2013
Koncentrace Cd (µM)
Využití uhlíkových nanoforem pro interakci s ionty těžkých kovů
MWCNT
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1H
3H
GRAFEN
6H
EXPAND
12H
Adsorpce kadmia na povrch různých forem uhlíku v % čas (hod)
MWCNT %
GRAFEN %
EXPAND %
1 3 6 12 24
30 37 39 36 49
99 99 98 96 98
5 10 13 16 6
24H
Interakce kadmia a grafenu – nejvyšší adsorpce na povrch Interakce kadmia a expandovaného uhlíku – bez adsorpce Interakce kadmia a mwcnt – po 24 hod. 50 % adsorpce
9
7.6.2013
Děkuji Vám za pozornost.
10
7.6.2013
