Graphenoxid in Funktionalisierung mit Polymeren und zur Herstellung von Nanopartikel-Hybridmaterialien
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Abstract
Seit der ersten Isolierung von Graphen durch Novoselov und Geim ist dieses zweidimensionale Material – wie auch andere Kohlenstoffnanopartikel zuvor – im zentralen Forschungsinteresse.
Eine gut zugängliche Variante des Graphens – das Graphenoxid – soll in dieser Arbeit als Ausgangsmaterial für gezielte Funktionalisierungen verwendet werden. Über die Oxidation von Graphit hergestellt, konnten damit sowohl in Wasser als auch in DMF Flüssigkristalline Phasen beobachtet werden.
Die Funktionalisierung des Graphenoxids mit Polymeren sollte dieses formanisotrope Material in organischen Lösungsmitteln dispergierbar machen. Für eine nicht-kovalente Funktionalisierung wurden Polymeren mit Pyren-Block oder Perylenbisimiden als Ankergruppe hergestellt. Stabile Dispersionen mit reduziertem Graphenoxid konnten damit jedoch nicht erhalten werden.
Eine kovalente Funktionalisierung durch Kopplung von ω-Amino-Polystyrol an die Säuregruppen des Graphenoxids war erfolgreich und das Produkt gut dispergierbar. Dieses Polystyrol-funktionalisierte Graphenoxid zeigte in Polymerfilmen eine gewisse Ordnung wenn bei der Herstellung äußere Kräfte eingebracht wurden. Auch die Herstellung von mikroporösen Filmen über Atmungsfiguren konnte mit diesem Material erfolgreich gezeigt werden.
Eine andere Funktionalisierung wurde durch Eintragen von Graphenoxid in Oleum erreicht. Die Herstellung des so erhaltenen reduzierten und sulfatierten Graphenoxids konnte durch die Entwicklung einer wässrigen Aufarbeitung verbessert werden.
Dieses Material wurde in der Kombination mit anorganischen Nanopartikeln wiederum zur Herstellung von Hybridmaterialien verwendet. Das Konzept der Nanopartikel-Umwicklung erwies sich als hochflexibel und gut realisierbar. Besonders gute Eigenschaften zeigte eines der Hybridmaterialien mit Ni@Fe2O3-Superpartikeln in der Verwendung als Anoden-Material in Lithium-Ionen Batterien. Hier konnten im Vergleich mit den unmodifizierten Partikeln sowohl in Bezug auf Langzeitstabilität, als auch auf spezifische Kapazität deutliche Verbesserungen erzielt werden, was das Potential dieser Methode unterstreicht.