石墨烷
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石墨烷 | |
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识别 | |
CAS号 | 1221743-01-6 ![]() |
性质 | |
化学式 | (CH)n |
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。 |
石墨烷(英語:Graphane)是一種石墨烯衍生物,為等量碳、氫兩種元素組成的平面狀聚合物,可透過电化学的氢化處理單層或多層石墨烯、或者有層間共价键的熱解碳製得。研究者以透射电子显微镜研究部分氢化石墨烯的性質,認為石墨烷作為單層材料在能隙等特性上性質多變。
結構
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根據2003年的簇展開推算,摻雜氫的石墨烯衍生物,以碳氫1:1比例的結構最穩定[1]。2007年,研究發現這種物質理論上比苯或环己烷一類的烃還穩定;因為它是將石墨烯完全氢化的理論產物,因而稱為「石墨烷」[2]。石墨烷的立體結構類似於環己烷,碳-氢键的sp3杂化為讓環張力最小,它最穩定的結構並非平面,有椅型、船型兩種構象,與石墨烯的正六邊形鑲嵌平面結構不同。與環己烷不同之處在於,石墨烷的兩種構象不能互相轉化,屬於结构异构的同分異構物。「船型構象」中,氫原子在平面正反兩面成對交替;而「椅型構象」中,相鄰碳原子各自鍵結的氫原子在不同側。除此之外,也有上述兩種構象的混合形式;「椅型構象」是石墨烷最穩定的結構,這點與環己烷相同[3][4]。
儘管彎曲的化學鍵會使晶格收縮,據推算實際上晶格反而會增長30%,這是因為在碳-碳键的單鍵(1.52Å)比原先共振鍵(1.42Å)來得長[4][5]。因此與最穩定、鍵長最長的椅型石墨烷的理想狀態對比,實際觀察到的晶格收縮,可歸因於石墨烷在局部出現穩定的「扭船型」構象;研究者發現,石墨烷在相異區域的鍵長差異,即對應局部構造中不同類的構象[4]。任何出現氫化構象變換的區域,都會使晶格常數局部收縮大約2%[6]。
性質
![](http://images.weserv.nl/?url=//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2d/Penta-graphane.png/220px-Penta-graphane.png)
將石墨烯樣品置於300°C的氩氣氛加熱4小時可去除雜質,然後放在位於兩個鋁电极間,低壓0.1毫巴、含有氬90%與氫10%的直流冷等离子体裡。在樣品距離放電區30公分的條件下,可使氫分子電離成個別氫原子,同時避免離子能量過高而破壞樣品;實務操作上,等离子体氫化反應通常在兩個小時後達到飽和。除了以石墨烯為反應物之外,如果以高定向熱解石墨製備,可以用機械剝離法分離產物。因為石墨烯可隨機出現奈米級別皺紋,讓基質上的氫化反應可能只在石墨烯一面進行,保有原有的六重對稱;而皺紋的隨機分布,使單面氫化的石墨烷結構比雙面氫化的還要無序[7]。氫化石墨烯反應為可逆反應,將石墨烷退火處理可讓氫發生扩散作用,讓產物又變回石墨烯,相關動力學機制可以模擬出來[8][9]。若氫化不完全,石墨烯不會轉變成化學鍵飽和的石墨烷,而會具有「類石墨烷」結構[7][10]。
因為石墨烷的原子鍵結為單鍵,沒有發生共振現象,因此是絕緣體[2];石墨烯理論上存在異構物五邊石墨烯,其相應氫化產物「五邊石墨烷」同樣屬於絕緣體[11]。
應用潛力
如果石墨烯被部分改性成石墨烷,會降低电子迁移率與電導率,同時使局部區域的能隙增大,形成一種石墨烯基二維異質結構;這是一種自成一類的材料體系,一些性能尚未確定,潛在應用包括石墨烯還原和加氫鈍化、表面蝕刻等等[12]。根據BCS理论,p型摻雜的石墨烷理論上具高溫超導性質,超導臨界溫度可達90K(-183°C)。此外,石墨烷也可能可用於儲氫技術[2][13]。晶格常數依溫度而變,而氫化可讓變化減小,使得石墨烷亦有潛力用於精密儀器領域[6]。
參考來源
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