grafeen, een tweedimensionaal rooster van koolstofatomen, staat al meer dan een decennium enorm in de belangstelling van een brede basis van de onderzoeksgemeenschap. Grafeen nanoribbons (GNR's), smalle stroken quasi eendimensionaal grafeen, hebben complementaire kenmerken ten opzichte van hun tweedimensionale tegenhanger van grafeenvellen. Op basis van theoretische berekeningen, de elektrische eigenschappen van GNR's kunnen worden geregeld door de breedte en randconfiguratie, en ze kunnen variëren van metallisch tot halfgeleidend.

De fysieke eigenschappen van de GNR's zijn sterk afhankelijk van de grootte en het aantal lagen, die op hun beurt afhankelijk zijn van hun synthesemethode. Er zijn drie belangrijke benaderingen voor de synthese van GNR's:het snijden van grafeen via lithografische technieken, bottom-up synthese van polycyclische moleculen, en het openritsen van koolstofnanobuisjes (CNT's). Terwijl de bottom-up-methode een route biedt naar nauwkeurige randcontrole, en de lithografische methode kan GNR's met nauwkeurige plaatsing veroorloven, de uitritsmethode biedt het voordeel van massaproductie.

MWCNT-uitpakmethoden kunnen worden ingedeeld in vier hoofdtypen:de reductieve intercalatie-ondersteunde benadering, oxidatief openritsen, elektrochemisch openritsen, en een vierde diverse groep methoden. De eerste benadering is gebaseerd op het bekende vermogen van alkalimetalen om grafiet te intercaleren met expansie in de richting van de Z-as. Een dergelijke roosteruitzetting veroorzaakt extreme spanningen binnen de concentrische wanden, resulterend in het barsten, of langsopening, van de buizen. De resulterende GNR's zijn zeer geleidend, maar ze blijven gelaagd en gelaagd. Door de aantrekkingskracht tussen de oppervlakken, ze exfoliëren niet tot enkellaagse linten.

De oxidatieve benadering omvat de behandeling van MWCNT's in zure oxidatieve media met de formulering die bijna identiek is aan die gebruikt bij de productie van grafeenoxide (GO) uit grafiet door de Hummers-methode. Het resulterende product is grafeenoxide nanoribbons (GONR's). In tegenstelling tot GNR's verkregen door de reductieve intercalatiemethode, GONR's exfoliëren gemakkelijk in een waterige oplossing, en ze kunnen worden verkregen als enkellagige structuren. Een reactiemechanisme voor oxidatief uitpakken werd voorgesteld door Kosynkin et al.

Een beroep doend op de klassieke oxidatie van de alkenen door permanganaat in zuren, de eerste stap is de vorming van manganaatester op een C-C binding, en de tweede stap is de breuk van de C-C-binding met vorming van ketonen aan de nieuw gevormde randen. Dit mechanisme werd verder ontwikkeld in het theoretische werk van Rangel et al. De oorspronkelijke synthese leidde tot talrijke onderzoeken naar het oxidatief uitpakken van MWCNT's. In veel rapporten het uitpakken werd aangeduid als "chemisch" in tegenstelling tot de "intercalatie-exfoliatie, " wat aangeeft dat het permanganaat-geïnduceerde oxidatieve mechanisme algemeen is aanvaard, en er werd zelfs gesuggereerd om SWCNT's uit te pakken.

Het nieuw voorgestelde mechanisme was gebaseerd op de ervaring van het laboratorium met het mechanisme van GO-grafietvorming, die drie opeenvolgende stappen omvat:(a) intercalatie van grafiet door zwavelzuur met vorming van een fase-1 H ₂ DUS ₄ -grafiet intercalatie verbinding (GIC); (b) conversie van fase-1 H ₂ DUS ₄ -GIC in ongerepte GO, en (c) afschilfering van GO naar enkellaagse vellen bij blootstelling aan water.

Dus, onder bepaalde voorwaarden, de vorming van fase één H ₂ DUS ₄ -GIC is onvermijdelijk voor elk grafisch materiaal. Vervolgens, het mechanisme van het oxidatieve uitpakken van MWCNT's kan ook door intercalatie worden aangedreven. Als dit klopt, onderzoekers moeten in staat zijn om de reactie te stoppen na de eerste intercalatie-uitritsstap voordat de tweede oxidatiestap doorgaat. Indien bereikt, dit zal uitgepakte maar niet geoxideerde of minimaal geoxideerde producten opleveren die eigenschappen bezitten die vergelijkbaar zijn met reductief uitgepakte GNR's die zijn verkregen door kalium- of natrium-kaliummetaalintercalatie. In dit werk, het lab onderzocht de impact van de twee belangrijkste parameters, de KMnO ₄ /MWCNT-verhouding, en de reactietijd op de structuur en samenstelling van de GNR-producten zoals verkregen, en afgeleid een herzien en vollediger begrip van het uitpakken proces.

De onderzoekers toonden aan dat het mechanisme van het oxidatief openritsen van MWCNT's inderdaad intercalatiegestuurd is. Het algehele uitpakproces omvat dezelfde drie stappen als bij de productie van GO uit grafiet door de Hummers en gemodificeerde Hummers-methoden:intercalatie, oxidatie en exfoliatie. Met MWCNT's, de intercalatie wordt geassocieerd met gelijktijdig uitpakken. Bij lage KMnO ₄ /MWCNT-verhoudingen, het is mogelijk om GNR's te verkrijgen met kenmerken die vergelijkbaar zijn met die geproduceerd door reductief uitpakken. 0,12 gew. equivalent KMnO ₄ is de drempelverhouding voldoende voor bijna volledig uitpakken, met slechts kleine hoeveelheden covalente oxidatie. Besturing van de KMnO ₄ /MWCNT-verhouding en reactietijd maakt het mogelijk om GNR's te produceren met de eigenschappen die variëren in een breed continu bereik van meerlagige grafenische GNR's tot enkellagige GONR's. Dus, het team beantwoordde een aantal openstaande vragen op het gebied van het uitpakken van MWCNT's, zoals de reden waarom de binnenste wanden van de nanobuisjes dichtgeritst blijven. Het door intercalatie aangedreven reactiemechanisme biedt een reden voor de onmogelijkheid om enkelwandige en enkelwandige CNT's uit te pakken, en helpt bij een herevaluatie van de gegevens van het oxidatieve uitpakproces.