Fluorografeno
Estructura del fluorografeno en conformación de silla vista desde arriba
Fluorografeno en la estructura de una silla vista desde un lado
Fluorografeno
Identificadores
Araña química
  • ninguno
Propiedades
CF 1(.1)
Masa molarVariable
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Compuesto químico

El fluorografeno (o perfluorografano , fluoruro de grafeno ) es un derivado fluorocarbonado del grafeno . [1] [2] [ 3] Es una lámina de carbono bidimensional de carbonos hibridados sp3 , con cada átomo de carbono unido a un flúor . La fórmula química es (CF) n . En comparación, el teflón ( politetrafluoroetileno ), -(CF2 ) n- , consiste en "cadenas" de carbono con cada carbono unido a dos flúor.

A diferencia del fluorografeno, el grafeno es insaturado ( hibridado sp2 ) y completamente carbonoso. El hidrocarburo análogo al fluorografeno es el grafano hibridado sp3 . Al igual que otros fluorocarbonos (por ejemplo, el perfluorohexano ), el fluorografeno es altamente aislante. El fluorografeno es térmicamente estable, parecido al politetrafluoroetileno ; sin embargo, químicamente es reactivo. Puede transformarse nuevamente en grafeno por reacción con yoduro de potasio a altas temperaturas. [3] Durante las reacciones del fluorografeno con NaOH y NaSH se observan desfluoración y sustitución reductivas simultáneas. La reactividad del fluorografeno representa una forma fácil de obtener derivados del grafeno. [4]

Preparación

El material fue creado por primera vez en 2010 mediante el crecimiento de grafeno en una lámina de cobre expuesta a difluoruro de xenón a 30 °C. [1] Poco después se descubrió que el fluorografeno también podía prepararse combinando grafeno escindido en una rejilla de oro mientras se exponía a difluoruro de xenón a 70 °C. [2] También en 2010, Withers et al . describieron la exfoliación de grafito fluorado (monocapa, 24% de fluoración) [5] y Cheng et al . informaron sobre la fluoración reversible del grafeno. [6] El fluorografeno estequiométrico también se preparó mediante exfoliación química de fluoruro de grafito . [3] También se demostró que el fluoruro de grafeno puede transformarse nuevamente en grafeno a través de la reacción con yodo , que forma yoduro de grafeno como un intermedio de vida corta. [3]

Estructura

La estructura del fluorografeno se puede derivar de la estructura del monofluoruro de grafito (CF) n , que consiste en capas apiladas de fluorografeno débilmente unidas, y su conformación más estable (prevista para el monocristal) contiene una matriz infinita de sillas de ciclohexano transenlazadas con enlaces C–F covalentes en una secuencia de apilamiento AB. [7] La ​​distancia estimada de CF es de 136-138 pm, la distancia de CC es de 157-158 pm y el ángulo CCC es de 110°. [8] Las posibles conformaciones de fluorografeno se han investigado ampliamente mediante cálculos. [9] [10] [11] [12]

Propiedades electrónicas

El fluorografeno se considera un semiconductor de amplio intervalo, porque sus características IV son fuertemente no lineales con una resistencia casi independiente de la compuerta mayor a 1 GΩ. Además, las mediciones de fluorescencia y NEXAFS indican un intervalo de banda mayor a 3,8 eV. Los cálculos teóricos muestran que la estimación del intervalo de banda del fluorografeno es una tarea bastante desafiante, ya que el funcional GGA proporciona un intervalo de banda de 3,1 eV, el híbrido (HSE06) 4,9 eV, el GW 8,1 eV sobre el PBE 8,1 u 8,3 eV sobre el HSE06. La transición óptica calculada por la ecuación de Bethe-Salpeter es igual a 5,1 eV y apunta a una energía de enlace de excitones extremadamente fuerte de 1,9 eV. [8] Recientemente se ha demostrado que al usar fluorografeno como capa de pasivación en transistores de efecto de campo (FET) que presentan un canal de grafeno, la movilidad del portador aumenta significativamente. [13]

Reacción

El fluorografeno es susceptible a la sustitución nucleofílica y la desfluoración reductiva, lo que lo convierte en un material precursor extraordinario para la síntesis de numerosos derivados del grafeno. Ambos canales se pueden utilizar para manipular químicamente el fluorografeno y se pueden ajustar mediante condiciones adecuadas, por ejemplo, disolvente. [14] En 2010 se demostró que el fluorografeno se puede transformar en grafeno mediante el tratamiento con KI. [3] Los nucleófilos pueden sustituir los átomos de flúor e inducir la desfluoración parcial o total. [15] La reactividad del fluorografeno se desencadena por defectos puntuales. [16] El conocimiento sobre la reactividad del fluorografeno se puede utilizar para la síntesis de nuevos derivados del grafeno, que contienen i) una mezcla de F y otros grupos funcionales (como, por ejemplo, el tiofluorografeno que contiene tanto -F como -SH [17] ) o ii) selectivamente solo el grupo funcional (y cualquier grupo -F). Los grupos alquilo y arilo se pueden unir selectivamente al grafeno utilizando la reacción de Grignard con fluorografeno y esta reacción conduce a un alto grado de funcionalización del grafeno. [18] El cianografeno (nitrilo de grafeno), un derivado de grafeno muy prometedor y selectivo, se sintetizó mediante la reacción de NaCN con fluorografeno. Este material se utilizó además para la síntesis de ácido grafénico, es decir, grafeno funcionalizado por grupos -COOH sobre su superficie, y se demostró que este ácido grafénico se puede conjugar eficazmente con aminas y alcoholes . Estos hallazgos abren nuevas puertas para la funcionalización selectiva y de alto rendimiento del grafeno. [19]

Otros grafenos halogenados

Estudios recientes también han revelado que, de manera similar a la fluoración, se puede lograr la cloración completa del grafeno. La estructura resultante se llama clorografeno . [20] [21] Sin embargo, otros cálculos teóricos cuestionaron la estabilidad del clorografeno en condiciones ambientales. [22]

El grafeno también se puede fluorar o halofluorar mediante el método CVD con fluorocarbonos, hidrocarburos o halofluorocarbonos calentándolo mientras está en contacto el material de carbono con una sustancia fluoroorgánica para formar carbonos parcialmente fluorados (los llamados materiales Fluocar). [23] [24]

Una descripción general sobre la preparación, reactividad y propiedades de los grafenos halogenados está disponible de forma gratuita en la revista ACS Nano. [7]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Jeremy T. Robinson; James S. Burgess; Chad E. Junkermeier; Stefan C. Badescu; Thomas L. Reinecke; F. Keith Perkins; Maxim K. Zalalutdniov; Jeffrey W. Baldwin; James C. Culbertson; Paul E. Sheehan; Eric S. Snow (2010). "Propiedades de las películas de grafeno fluorado". Nano Letters . 10 (8): 3001–3005. Bibcode :2010NanoL..10.3001R. CiteSeerX  10.1.1.954.8747 . doi :10.1021/nl101437p. PMID  20698613.
  2. ^ ab Rahul R. Nair, Wencai Ren, Rashid Jalil, Ibtsam Riaz, Vasyl G. Kravets, Liam Britnell, Peter Blake, Fredrik Schedin, Alexander S. Mayorov, Shengjun Yuan, Mikhail I. Katsnelson, Hui-Ming Cheng, Wlodek Strupinski , Lyubov G. Bulusheva, Alexander V. Okotrub, Irina V. Grigorieva, Alexander N. Grigorenko, Kostya S. Novoselov y Andre K. Geim (2010). "Fluorografeno: una contraparte bidimensional del teflón". Pequeño . 6 (24): 2877–2884. arXiv : 1006.3016 . doi :10.1002/smll.201001555. Número de modelo: PMID  21053339. Número de modelo: S2CID  10022293.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  3. ^ abcde Radek Zboril; Frantisek Karlicky; AB Bourlinos; TA Steriotis; AK Stubos; V. Georgakilas; K. Safarova; D. Jancik; C. Trapalis; Michal Otyepka (2010). "Fluoruro de grafeno: un derivado de grafeno estequiométrico estable y su conversión química a grafeno". Small . 6 (24): 2885–2891. doi :10.1002/smll.201001401. PMC 3020323 . PMID  21104801. 
  4. ^ Matus Dubecky; Eva Otyepkova; Petr Lazar; Frantisek Karlicky; Martin Petr; Klara Cepe; Pavel Banas; Radek Zboril; Michal Otyepka (2015). "Reactividad del fluorografeno: una forma sencilla de obtener derivados del grafeno". The Journal of Physical Chemistry Letters . 6 (8): 1430–1434. doi : 10.1021/acs.jpclett.5b00565 . PMID  26263147.
  5. ^ Withers, Freddie; Dubois, Marc; Savchenko, Alexander K. (2010). "Propiedades electrónicas de transistores de grafeno monocapa fluorados". Phys. Rev. B . 82 (7): 073403. arXiv : 1005.3474 . Código Bibliográfico :2010PhRvB..82g3403W. doi :10.1103/PhysRevB.82.073403. S2CID  119209248.
  6. ^ Cheng, S.-H.; Zou, K.; Okino, F.; Gutiérrez, HR; Gupta, A.; Shen, N.; Eklund, PC; Sofo, JO; Zhu, J. (2010). "Fluoración reversible del grafeno: evidencia de un semiconductor de banda prohibida ancha bidimensional". Physical Review B . 81 (20): 205435. arXiv : 1005.0113 . Código Bibliográfico :2010PhRvB..81t5435C. doi :10.1103/PhysRevB.81.205435. S2CID  117789762.
  7. ^ ab Karlický, František; Kumara Ramanatha Datta, Kasibhatta; Otyepka, Michal; Zbořil, Radek (2013). "Grafenos halogenados: familia de derivados del grafeno en rápido crecimiento". ACS Nano . 7 (8): 6434–6464. doi : 10.1021/nn4024027 . PMID  23808482.
  8. ^ ab Karlický, František; Otyepka, Michal (2013). "Band Gaps y espectros ópticos de clorografeno, fluorografeno y grafano a partir de cálculos G0W0, GW0 y GW sobre orbitales PBE y HSE06". Revista de teoría y computación química . 9 (9): 4155–4164. doi :10.1021/ct400476r. PMID  26592406.
  9. ^ Artyukhov, Vasilii I.; Chernozatonskii, Leonid A. (2010). "Estructura e interacción de capas en monofluoruro de carbono y grafano: un estudio computacional comparativo". The Journal of Physical Chemistry A . 114 (16): 5389–5396. Bibcode :2010JPCA..114.5389A. doi :10.1021/jp1003566. PMID  20369887.
  10. ^ Leenaerts, O.; Peelaers, H.; Hernández-Nieves, AD; Partoens, B.; Peeters, FM (2010). "Investigación de primeros principios del fluoruro de grafeno y el grafano". Physical Review B . 82 (19): 195436. arXiv : 1009.3847 . Código Bibliográfico :2010PhRvB..82s5436L. doi :10.1103/PhysRevB.82.195436. S2CID  17885038.
  11. ^ Samarakoon, Duminda K.; Chen, Zhifan; Nicolas, Chantel; Wang, Xiao-Qian (2011). "Propiedades estructurales y electrónicas del fluorografeno". Small . 7 (7): 965–969. doi :10.1002/smll.201002058. PMID  21341370.
  12. ^ Tang, Shaobin; Zhang, Shiyong (2011). "Propiedades estructurales y electrónicas de nanocintas híbridas de fluorografeno y grafeno: perspectiva a partir de cálculos de primeros principios". The Journal of Physical Chemistry C . 115 (33): 16644–16651. doi :10.1021/jp204880f.
  13. ^ Ho, Kuan-I; Boutchich, Mohamed; Su, Ching-Yuan; Moreddu, Rosalia; Marianathan, Eugene Sebastian Raj; Montes, Laurent; Lai, Chao-Sung (2015). "Un transistor de grafeno de alta movilidad autoalineado: desacoplamiento del canal con fluorografeno para reducir la dispersión". Materiales avanzados . 27 (41): 6519–6525. Código Bibliográfico :2015AdM....27.6519H. doi :10.1002/adma.201502544. PMID  26398725. S2CID  205262203.
  14. ^ Matochová, Dagmar; Medved', Miroslav; Bakandritsos, Arístides; Steklý, Tomaš; Zbořil, Radek; Otyepka, Michal (2018). "Química 2D: control químico de la derivatización del grafeno". La Revista de Letras de Química Física . 9 (13): 3580–3585. doi : 10.1021/acs.jpclett.8b01596. PMC 6038093 . PMID  29890828. 
  15. ^ Dubecký, Matúš; Otyepková, Eva; Lázaro, Petr; Karlický, František; Petr, Martín; Čépe, Klára; Banáš, Pavel; Zbořil, Radek; Otyepka, Michal (2015). "Reactividad del fluorografeno: un camino fácil hacia los derivados del grafeno". La Revista de Letras de Química Física . 6 (8): 1430-1434. doi : 10.1021/acs.jpclett.5b00565 . PMID  26263147.
  16. ^ Medveď, Miroslav; Zoppellaro, Giorgio; Ugolotti, Juri; Matochová, Dagmar; Lázaro, Petr; Pospíšil, Tomáš; Bakandritsos, Arístides; Tuček, Jiří; Zbořil, Radek; Otyepka, Michal (2018). "La reactividad del fluorografeno se desencadena por defectos puntuales: más allá del mundo 2D perfecto". Nanoescala . 10 (10): 4696–4707. doi :10.1039/C7NR09426D. PMC 5892133 . PMID  29442111. 
  17. ^ Urbanová, Verónica; Hola, Kateřina; Bourlinos, Atanasio B.; Čépe, Klára; Ambrosi, Adriano; Loo, Adeline Huiling; Pumera, Martín; Karlický, František; Otyepka, Michal; Zbořil, Radek (2015). "Derivado de grafeno hidrofílico de tiofluorografeno con propiedades semiconductoras y genosensoras". Materiales Avanzados . 27 (14): 2305–2310. Código Bib : 2015AdM....27.2305U. doi :10.1002/adma.201500094. PMID  25692678. S2CID  624468.
  18. ^ Chronopoulos, Demetrios D.; Bakandritsos, Aristides; Lazar, Petr; Pykal, Martin; Čépe, Klára; Zbořil, Radek; Otyepka, Michal (2017). "Alquilación y arilación de alto rendimiento de grafeno mediante la reacción de Grignard con fluorografeno". Química de materiales . 29 (3): 926–930. doi :10.1021/acs.chemmater.6b05040. PMC 5312839 . PMID  28216805. 
  19. ^ Bakandritsos, Arístides; Pykal, Martín; Błoński, Piotr; Jakubec, Petr; Chronopoulos, Demetrios D.; Poláková, Kateřina; Georgakilas, Vasilios; Čépe, Klára; Tomanec, Ondřej; Ranc, Václav; Bourlinos, Atanasio B.; Zbořil, Radek; Otyepka, Michal (2017). "Cianografeno y ácido de grafeno: derivados emergentes que permiten la funcionalización selectiva y de alto rendimiento del grafeno". ACS Nano . 11 (3): 2982–2991. doi : 10.1021/acsnano.6b08449. PMC 5371925 . PMID  28208019. 
  20. ^ Sahin, H (2012). "Adsorción de cloro en grafeno: clorografeno". The Journal of Physical Chemistry C . 116 (45): 24075–24083. arXiv : 1211.5242 . doi :10.1021/jp307006c. S2CID  44109838.
  21. ^ Li, B (2011). "Cloración fotoquímica del grafeno". ACS Nano . 5 (7): 5957–61. doi :10.1021/nn201731t. PMID  21657242.
  22. ^ Karlicky, F; et al. (2012). "Band gaps and structure properties of graphene halures and their derived: A hybrid functional study with localized orbital databases" (Bahías de banda y propiedades estructurales de haluros de grafeno y sus derivados: un estudio funcional híbrido con conjuntos de bases orbitales localizadas). The Journal of Chemical Physics . 137 (3): 034709. arXiv : 1209.4205 . Bibcode :2012JChPh.137c4709K. doi :10.1063/1.4736998. PMID  22830726. S2CID  36374882.
  23. ^ "Patente de Estados Unidos: 10000382 - Método para la modificación de la superficie de materiales de carbono mediante fluorocarbonos y derivados".
  24. ^ "WO16072959 Método para la modificación de la superficie de materiales de carbono mediante fluorocarbonos y derivados". patentscope.wipo.int . Consultado el 13 de septiembre de 2018 .
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