Fotokatalytische functionalisering van koolstofoppervlakken

De kern van dit onderzoek is de oxidatie van grafitische koolstofmaterialen door een geheel nieuwe benadering. Oxidatiebestendige koolstofmaterialen zoals grafiet worden geoxideerd met behulp van fotokatalyse. De huidige oxidatiemethoden voor koolstof maken gebruik van zeer hoge temperaturen, vervuilende chemicaliën en agressieve oxidanten, die het milieu zwaar belasten. De fotokatalytische oxidatiemethode zou mogelijk een alternatief kunnen bieden voor de veelgebruikte natte chemische oxidatiemethoden voor de oxidatie van grafiet. Bij de Hummers-methode en de overvloedige modificaties daarvan worden bijvoorbeeld sterke minerale zuren, het sterk oxiderende kaliumpermanganaat (gevaar voor explosies) en waterstofperoxide gebruikt. Koolstofoxidatie zou sterk gebaat zijn bij een groen alternatief voor deze niet-duurzame oxidatiemethode die veel vloeibaar afval genereert. De fotokatalytische oxidatie van grafiet is eenvoudig gebaseerd op het gebruik van UV-licht, een fotokatalysatormateriaal en enkele assisterende oxidatiegassen. In tegenstelling tot andere grafietoxidatieprocessen kan deze milieuvriendelijke methode grafitische koolstofoppervlakken bij relatief lage temperatuur functionaliseren met ruimtelijke oxidatiecontrole en goede reactiereproduceerbaarheid. Grafiet foto-oxidatie op afstand is ook een veelbelovend onderzoeksdomein dat volgt uit de succesvolle carbon black oxidatie door fotokatalytisch gegenereerde mobiele oxidatieve species.

Met het oog op de optimalisering van de fotoreactie worden de gefotoxideerde koolstofmaterialen gekarakteriseerd met behulp van meerdere geavanceerde technieken. Structurele analyses worden uitgevoerd met Raman spectroscopie, waarbij een moleculaire vingerafdruk van de koolstof microstructuur wordt onthuld. Na de fotoreactie worden aan het oppervlak gevormde oxidatiegerelateerde koolstofverbindingen gedetecteerd door gedetailleerde Raman spectra op te meten. Het effect van de fotokatalysatoractiviteit op de topografie en morfologie van het koolstofoppervlak wordt aangetoond met twee microscopische technieken, namelijk atomic force microscopy (AFM) en scanning electron microscopy (SEM). AFM toont topografische verschillen tussen niet-geoxideerde en geoxideerde koolstofoppervlakken op nanoschaal. SEM-analyse geeft hogeresolutiebeelden van foto-geoxideerde koolstofmaterialen, wat leidt tot de ontdekking van nieuwe oxidatie-geïnduceerde structurele kenmerken zoals oppervlakteblaasjes aan de randen en basale vlakken van grafiet. X-stralen photoelectron spectroscopie (XPS) is bovendien een nuttig instrument om de chemische samenstelling van de bovenste koolstoflagen van de grafietdeeltjes na foto-oxidatiebehandeling te onthullen.