Projekt okładki i stron tytułowych Marek Goebel

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Redaktor prowadzący Iwona Lewandowska

Redaktor Urszula Pawłowska

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Michał Latusek / konwersja.virtualo.pl

Redaktor naukowy

Kamila Żelechowska

Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej, Politechnika Gdańska

Publikacja została dofinansowana ze środków Wydziału Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechniki Gdańskiej

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło.

A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2016

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2016 r., (wyd. I)

Warszawa 2016

ISBN 978-83-01-18924-2

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl
www.pwn.pl

Spis treści

1. TLENEK GRAFENU I REDUKOWANY TLENEK GRAFENU
Izabela Kondratowicz, Kamila Żelechowska

1.1. Wstęp

1.2. Otrzymywanie redukowanego tlenku grafenu

1.3. Badanie właściwości tlenku grafenu i redukowanego tlenku grafenu

1.3.1. Właściwości chemiczne i elektryczne tlenku grafenu i redukowanego tlenku grafenu

1.3.2. Badanie właściwości tlenku grafenu i redukowanego tlenku grafenu przy użyciu metod spektroskopowych

1.3.3. Obrazowanie przy użyciu metod mikroskopowych

2. NANOCZĄSTKI METALICZNE. OTRZYMYWANIE I WŁAŚCIWOŚCI
Kamila Żelechowska, Izabela Kondratowicz

2.1. Wstęp

2.2. Wybrane metody otrzymywania nanocząstek metalicznych

2.3. Wybrane właściwości koloidów złota i srebra

2.3.1. Zjawisko Tyndalla

2.3.2. Spektroskopia UV-Vis. Powierzchniowy rezonans plazmonowy

2.4. Synteza i badanie właściwości nanocząstek metalicznych

2.4.1. Otrzymywanie i właściwości koloidów złota

2.4.2. Otrzymywanie nanocząstek złota na podłożu stałym

2.4.3. Otrzymywanie nanocząstek srebra metodą odwróconych miceli

2.4.4. Otrzymywanie nanocząstek srebra tzw. zieloną metodą

3. OTRZYMYWANIE NANOKRZEMIONKI (SiO₂) METODĄ ZOL-ŻEL
Kamila Żelechowska, Izabela Kondratowicz

3.1. Wstęp

3.2. Synteza krzemionki metodą zol-żel

4. KROPKI KWANTOWE. SYNTEZA I WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE NANOKRYSZTAŁÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH
Marcin Karbarz, Kamila Żelechowska

4.1. Wstęp

4.2. Synteza kropek kwantowych

4.2.1. Synteza nanokryształów siarczku kadmu

4.2.2. Synteza nanokryształów selenku kadmu

4.3. Badanie właściwości otrzymanych kropek kwantowych

5. FOTOKATALITYCZNE WŁAŚCIWOŚCI TiO₂
Kamila Żelechowska, Maciej Klein

5.1. Wstęp

5.2. Fotokatalityczne usuwanie barwników z wody

5.3. Ogniwa barwnikowe

5.3.1. Wstęp

5.3.2. Wykonanie barwnikowego ogniwa słonecznego

5.3.3. Testowanie ogniwa

6. ZACHWYCAJĄCE NANOSTRUKTURY ZnO
Kamila Żelechowska

6.1. Wstęp

6.2. Otrzymywanie nanostruktur ZnO

6.3. Otrzymywanie mikrokwiatów ZnO metodą mikrofalową

6.4. Wpływ rozmiaru na właściwości optyczne nanocząstek ZnO

6.5. Bezpieczne opalanie się a nano-ZnO

6.5.1. Demonstracja zdolności ZnO do blokowania promieniowania UV

7. OTRZYMYWANIE I WŁAŚCIWOŚCI NANOCZĄSTEK MAGNETYCZNYCH
Kamila Żelechowska, Izabela Kondratowicz

7.1. Wstęp

7.2. Metoda sucha – otrzymywanie maghemitu

7.3. Metoda mokra (w fazie wodnej) – otrzymywanie magnetytu

7.4. Metoda współstrącania w wysokiej temperaturze – otrzymywanie ferrytowych nanocząstek niklowo-cynkowych (Ni0,5Zn0,5Fe₂O₄)

7.5. Struktury rdzeń-powłoka z żelem krzemionkowym

7.6. Nanocząstki magnetyczne modyfikowane cyklodekstryną w oczyszczaniu ścieków

7.6.1. Modyfikacja nanocząstek magnetycznych β-cyklodekstryną

7.6.2. Badanie zdolności sorpcyjnej funkcjonalizowanych nanocząstek maghemitu

7.7. Ferrociecz

7.7.1. Separacja magnetyczna z użyciem ferrocieczy

8. NANORURKI WĘGLOWE
Kamila Żelechowska

8.1. Wstęp

8.2. Nanorurki węglowe w bioogniwach paliwowych

8.3. Bioogniowo paliwowe z elektrodami z nanorurek

9. CHEMIA POWIERZCHNI
Kamila Żelechowska, Jolanta Szczygelska-Tao

9.1. Wstęp

9.2. Modyfikacja powierzchni

9.3. Chromatografia i wzorce chemiczne

9.4. Modyfikacja powierzchni metalu

9.5. Lipofilizacja powierzchni

9.5.1. Lipofilizacja żelu krzemionkowego

9.5.2. Lipofilizacja szkła lub włókniny szklanej

9.5.3. Otrzymywanie i badanie właściwości hydrofobowej bawełny

9.5.4. Otrzymywanie materiałów chropowatych

9.6. Modyfikacja powierzchni żelu krzemionkowego w celu generowania wzorcowych mieszanin gazowych

9.6.1. Niklowanie autokatalityczne

9.6.2. Kolorowe warstwy na metalach

10. STRUKTURY SUPRAMOLEKULARNE
Radosław Pomećko, Kamila Żelechowska, Izabela Kondratowicz

10.1. Wstęp

10.2. Rodzaje odziaływań w układach supramolekularnych

10.2.1. Oddziaływania jon–jon oraz jon–dipol

10.2.2. Wiązanie wodorowe

10.2.3. Oddziaływanie typu π–π

10.2.4. Oddziaływanie van der Waalsa i hydrofobowe

10.3. Teoria twardych i miękkich kwasów i zasad Pearsona

10.4. Trwałość układów supramolekularnych, efekt chelatowy i makrocykliczny w tworzeniu kompleksów

10.5. Strategia syntezy związków makrocyklicznych

10.5.1. Metoda dużych rozcieńczeń

10.5.2. Efekt templatowy (matrycowy)

10.6. Układy typu „gość–gospodarz”

10.7. Synteza i właściwości eterów koronowych

10.7.1. Synteza templatowa 18-korony-6

10.7.2. Potwierdzenie właściwości kompleksujących eteru TLC 18-korona-6 przy użyciu chromatografii

10.7.3. Purpurowy benzen

10.8. Otrzymywanie klatratów mocznika i tiomocznika

11. OTRZYMYWANIE NANOSTRUKTUR NA DRODZE SAMOORGANIZACJI
Izabela Kondratowicz, Kamila Żelechowska, Radosław Pomećko

11.1. Wstęp

11.2. Wyznaczanie krytycznego stężenia micelizacji

11.2.1. Rodzaje i właściwości związków powierzchniowo czynnych

11.3. Rurki z siarczku kadmu

11.4. Uporządkowana mezoporowata krzemionka

11.4.1. Otrzymywanie mezoporowatej krzemionki MCM-41

11.4.2. Usuwanie twardości wody za pomocą mezoporowatej krzemionki MCM-41

11.5. Hydrożele z redukowanego tlenku grafenu templatowane krzemionką

11.5.1. Otrzymywanie hydrożeli z rGO templatowanych krzemionką

11.6. Porowate materiały metaloorganiczne

11.7. Otrzymywanie porowatych struktur z γ-cyklodekstryny i jonów metali alkalicznych

12. ZWIĄZKI FUNKCJONALNE: DENDRYMERY, ROTAKSANY, HYDROŻELE (KAPSUŁY MOLEKULARNE)
Radosław Pomećko, Kamila Żelechowska

12.1. Dendrymery

12.2. Rotaksany i katenany

12.3. Hydrożele

12.4. Badanie właściwości sieci hydrożelowej

Wszystkie rozdziały dostępne w pełnej wersji książki.

1
TLENEK GRAFENU I REDUKOWANY TLENEK GRAFENU

Izabela Kondratowicz
Kamila Żelechowska

1.1. Wstęp

Grafen to alotropowa odmiana węgla o grubości jednego atomu. Charakteryzuje się niezwykłą wytrzymałością mechaniczną. Wartość modułu Younga grafenu (określająca sprężystość materiału) jest około 1000 razy większa niż wartość modułu Younga diamentu. Każdy atom węgla w grafenie ma cztery elektrony walencyjne – trzy z nich biorą udział w tworzeniu wiązań kowalencyjnych z sąsiednimi atomami, ostatni zaś tworzy chmurę zdelokalizowanych elektronów nad i pod płaszczyzną grafenu. Atomy węgla w grafenie ulegają hybrydyzacji sp2. Strukturę grafenu – idealną sieć atomów węgla ułożonych w sześciokątne pierścienie (przypominającą strukturę plastra miodu) – przedstawiono na rys. 1.1. Jeżeli ta sieć nie jest zaburzona defektami, elektrony mogą bez przeszkód, a więc z dużą ruchliwością, przemieszczać się w płaszczyźnie grafenu już w temperaturze pokojowej. Dzięki temu obserwuje się bardzo wysoką przewodność elektryczną tej odmiany węgla. Te i inne właściwości umożliwiają wykorzystanie grafenu w różnych dziedzinach nauki – od elektroniki poprzez optykę do medycyny.

Rysunek 1.1. Grafen – pojedyncza płaszczyzna węglowa

Grafen (ang. graphene) – arkusz o jednoatomowej grubości, zbudowany z atomów węgla o hybrydyzacji sp2 ułożonych w sześciokątne pierścienie, który nie stanowi integralnej części innego materiału węglowego. Grafen może występować w zawiesinie lub na podłożu.

Warstwa grafenowa (ang. graphene layer) – jednoatomowej grubości arkusz złożony z atomów węgla o heksagonalnym ułożeniu i hybrydyzacji sp2 stanowiący element struktury trójwymiarowego materiału węglowego, np. grafitu czy węgla turbostratycznego.

Grafen wielowarstwowy (ang. multi-layer graphene, MLG) – węglowy materiał 2D, w postaci zarówno płatków, jak i pokrycia na podłożu, składający się z kilku (od 2 do 10) warstw grafenowych. Warstwy grafenowe powinny być dobrze zdefiniowane, policzalne, wzajemnie zorientowane, o wymiarach bocznych znacznie przekraczających grubość.

Istnieje wiele metod wytwarzania grafenu. Zdobywcy nagrody Nobla za badania nad grafenem – A. Gejm i K.S. Nowosiołow w swojej pracy wykorzystali metodę z taśmą samoprzylepną, którą naklejali na powierzchnię grafitu pirolitycznego. W wyniku sukcesywnego sklejania i odrywania kolejnych kawałków taśmy udało im się uzyskać pojedynczą warstwę grafenu, która była stabilna bez potrzeby osadzenia jej na podłożu. Inną metodą, która pozwala na otrzymanie większej ilości materiału grafenowego jest metoda chemicznej eksfoliacji (rozwarstwienia) tlenku grafitu i jego późniejsza redukcja. Pierwszy etap polega na utlenieniu grafitu do tlenku grafitu, który jest następnie rozwarstwiany do tlenku grafenu. Schematycznie proces ten pokazano na rys. 1.2. W wyniku działania na grafit silnych utleniaczy na płaszczyzny węglowe zostają wprowadzone tlenowe grupy funkcyjne, np. hydroksylowe, epoksydowe, karbonylowe i karboksylowe. Dzięki temu wiązania van der Waalsa między równoległymi płaszczyznami grafitu zostają osłabione i warstwy rozsuwają się na odległość około dwukrotnie większą niż w materiale wyjściowym. Tak otrzymany tlenek grafitu ma charakter hydrofilowy, a więc można zdyspergować go w wodzie. Na kolejnym etapie zawiesina tlenku grafitu jest poddawana działaniu ultradźwięków, dzięki czemu warstwy mogą zostać całkowicie rozdzielone, co prowadzi do powstania tlenku grafenu (GO) – pojedynczych płaszczyzn węglowych z tlenowymi grupami funkcyjnymi.

Rysunek 1.2. Schemat reakcji otrzymywania tlenku grafenu z grafitu

Wprowadzenie grup funkcyjnych zmienia hybrydyzację atomów węgla z sp2 na sp3, co sprawia, że tlenek grafenu wykazuje niską przewodność elektryczną. Aby usunąć grupy funkcyjne, stosuje się metody termiczne lub chemiczne. W drugim przypadku wykorzystuje się silne reduktory, np. hydrazyna (NH2–NH2), borowodorek sodu (NaBH4), wodorek sodu (NaH), jodowodór (HI), oraz słabsze reduktory, np. kwas askorbinowy (witamina C), hydrochinon czy wodorotlenki metali (NaOH, KOH). Z badań wynika, iż nie jest możliwe całkowite usunięcie grup funkcyjnych z płaszczyzn węglowych, dlatego też otrzymany materiał powinno nazywać się redukowanym tlenkiem grafenu (rGO). Schemat reakcji redukcji tlenku grafenu pokazano na rys. 1.3.

Rysunek 1.3. Schemat reakcji redukcji tlenku grafenu