Od grafitu do grafenu – materiały węglowe w elektrochemii

W numerze 1/2014 magazynu „Innowacje” ukazał się artykuł opisujący zastosowanie materiałów węglowych w elektrochemii. Poniżej mogą Państwo przeczytać jego fragmenty.


Materiały węglowe są szeroko stosowane w urządzeniach elektrochemicznych wykorzystywanych m. in. w monitoringu środowiskowym, diagnostyce medycznej, elektronice, energetyce oraz przemyśle motoryzacyjnym. Do urządzeń tych należą czujniki elektrochemiczne, akumulatory litowo-jonowe, superkondensatory i ogniwa paliwowe. Wspólną cechą materiałów węglowych będących przedmiotem niniejszego omówienia jest duża zawartość fazy grafitowej. W rozwoju technologii elektrochemicznych coraz większe znaczenie mają niskowymiarowe pochodne grafenu.

Dokonana w 1985 r. synteza fullerenów stanowiła przełom w badaniach niskowymiarowych pochodnych grafenu. W 1991 r. ukazała się praca Iijimy, w której donosił on o uzyskaniu nanorurek węglowych. Praca ta wywarła duży wpływ na dalszy rozwój badań nad uzyskiwaniem kolejnych jedno- i wielościennych struktur cebulkowych, sferycznych i stożkowych. Ich zwieńczeniem było wyizolowanie i zbadanie w 2004 r. przez grupę Novoselowa grafenu, który stanowi pojedynczą warstwę grafitu.naturalny grafit powiększenie

Cechą grafitu, która określa jego właściwości elektrokatalityczne, jest hybrydyzacja sp² orbitali elektronowych atomów węgla. W hybrydyzacji tej trzy spośród czterech elektronów walencyjnych węgla uczestniczą w tworzeniu bardzo silnych wiązań kowalencyjnych σ. Wiązania te leżą na jednej płaszczyźnie, kąty pomiędzy nimi wynoszą 120º. Dzięki takiemu rozmieszczeniu wiązań możliwe jest tworzenie heksagonalnych płaszczyzn o strukturze plastra miodu. Czwarty elektron, określany jako elektron π, uczestniczy w tworzeniu słabych wiązań π. Elektrony π są słabo związane z atomami węgla i odpowiadają za stosunkowo dobre przewodnictwo grafitu wzdłuż płaszczyzn grafitowych. Silne wiązania π gwarantują stabilność chemiczną grafitu. Elektrony π wiążą pojedyncze płaszczyzny grafenowe ze sobą słabymi wiązaniami metalicznymi. Dzięki tym oddziaływaniom możliwe jest istnienie dwu- i wielowarstw grafenu, a w przypadku setek i więcej warstw grafenowych – grafitu. Charakter wiązań wewnątrz i pomiędzy płaszczyznami określa również właściwości węgli i grafitów porowatych, węgli aktywowanych i amorficznych włókien węglowych. Grafenowe płaszczyzny można zwijać i zszywać w cylindry. Powstają wówczas nanorurki węglowe.

Czujniki elektrochemiczne wykorzystuje się do identyfikacji i oznaczania stężeń analitów. W przypadku czujników gazowych analitami są gazy rozpuszczone w elektrolicie podstawowym. Innymi przykładami analitów są jony metali ciężkich, substancje czynne w farmaceutykach bądź biomarkery. Analit doprowadzany jest do warstwy transportowej, która pozostaje w kontakcie z przetwornikiem elektrochemicznym. Z punktu widzenia zastosowań ważna jest selektywność warstwy transportowej. Chodzi bowiem o to, by do przetwornika docierały jony właściwego analitu. Przetwornik elektrochemiczny stanowi ogniwo elektrochemiczne, najczęściej w konfiguracji trójelektrodowej. Rozróżnia się przetworniki potencjometryczne, amperometryczne oraz woltamperometryczne. W ostatniej z wymienionych technik mierzy się prąd przepływający pomiędzy elektrodą pracującą i zliczającą w funkcji potencjału elektrody pracującej. Potencjał elektrody pracującej mierzy się względem elektrody standardowej odniesienia, najczęściej Ag/AgCl.. Bariera dyfuzji jonów, filtr oraz porowata membrana mają za zadanie doprowadzenie do elektrolitu jedynie molekuł gazu, którego stężenie ma być oznaczone.

Dobre przewodnictwo powierzchniowe, stabilność chemiczna oraz duża powierzchnia czynna grafitów porowatych, nanorurek węglowych i grafenu powodują, że są one dobrym materiałem do konstrukcji elektrod pracujących w czujnikach elektrochemicznych. Ważnym obszarem zastosowań jest monitorowanie stężenia jonów metali ciężkich w wodzie pitnej. Wykonano udane próby czujników elektrochemicznych do oznaczania stężenia jonów Pb2+ < oraz Hg2+ <w budowie których wykorzystano zarówno nanorurki, jak i grafen. Grafit i jego pochodne charakteryzują się dobrą biozgodnością. Dlatego dużo uwagi poświęca się badaniom zmierzającym do zastosowaniu nanorurek i grafenu w czujnikach służących do oznaczania poziomu stężenia substancji aktywnych leków, np. paracetamolu, oraz biomarkerów w matrycach biologicznych. Jak pokazano, detekcja związków o znaczeniu fizjologicznym, np. dopaminy, kwasu askorbinowego i moczowego, może odbywać się bez udziału enzymów. Równolegle do tych badań konstruuje się prototypy enzymatycznych czujników biomarkerów, w których białka odpowiedzialne za katalizowanie reakcji redoks analitów (osydazy i dehydrogenazy) osadzane są na nanorurkach lub grafenie. Nanorurki węglowe i grafen stanowią dobrą platformę do bezpośredniego badania mechanizmów reakcji redoks z udziałem takich białek, jak mioglobina, hemoglobina, cytochrom c czy oksydaza glukozowa. Zaobserwowano, że w przypadku elektrody grafenowej bądź stanowiącej nanorurkę węglową, możliwe jest przeniesienie elektronu pomiędzy elektrodą i białkiem bez udziału substancji pośredniczących. Jest to bardzo istotne z punktu widzenia badań nad kinetyką reakcji odpowiedzialnych za zachodzenie procesów życiowych.

[…]
Pozostała część artykułu dostępna na życzenie u Wydawcy.