A Sustainable and Environmental-Friendly Acid-Reduced Route for Graphene Oxide Synthesis Through Modified Hummers Method

في عالم المواد الحديثة، لم تستطع قلة من المواد أن تأسر خيال العلماء مثلما فعلت مادة الجرافين. فهو عبارة عن طبقة من ذرات الكربون، مرتبة في نمط يشبه قرص العسل، وهي رقيقة للغاية لدرجة أنها تعتبر ثنائية الأبعاد فعلياً. هذه المادة قوية بشكل لا يصدق، وتوصل الكهرباء بسهولة، ويمكن ثنيها أو تمديدها دون أن تنكسر. ومع ذلك، فإن الجرافين النقي يصعب التعامل معه لأنه لا يمتزج جيداً مع الماء أو السوائل الشائعة الأخرى، مما يجعل استخدامه صعباً في العديد من الأجهزة العملية. ولحل هذه المشكلة، يتجه الباحثون إلى "ابن عم" للجرافين يسمى "أكسيد الجرافين". تحتفظ هذه المادة بنفس الهيكل المسطح الشبيه بالرقائق، ولكنها مغطاة بمجموعات تعتمد على الأكسجين تعمل مثل خطافات صغيرة، مما يسمح للرقائق بالانتشار بانتظام في الماء. وهذا يجعل أكسيد الجرافين وحدة بناء متعددة الاستخدامات، بدءاً من المستشعرات الطبية وصولاً إلى البطاريات الأفضل.

الطريقة القياسية لإنتاج أكسيد الجرافين مستخدمة منذ عقود، لكنها تأتي بتكلفة بيئية باهظة. تعتمد الطريقة التقليدية على سكب كميات هائلة من حمض الكبريتيك المركز فوق الغرافيت، وهو الكربون الناعم الموجود في أقلام الرصاص، لتفكيكه وإضافة الأكسجين إليه. هذه العملية فعالة، لكنها تولد أحجاماً ضخمة من النفايات السامة وتفرض مخاطر أمنية كبيرة بسبب الحرارة والتفاعلات الكيميائية المعنية. وبينما تتطلع الصناعات إلى إنتاج هذه المواد على نطاق أوسع، أصبحت الحاجة إلى نهج أكثر نظافة وأماناً أمراً ملحاً. ويكمن التحدي في إيجاد طريقة لتفكيك طبقات الكربون وتحميلها بالأكسجين دون إغراق العملية في الأحماض الخطرة.

لقد عالج فريق من الباحثين في كلية مار توما في الهند هذا التحدي من خلال تطوير نسخة معدلة من الطريقة الكلاسيكية تقلل بشكل كبير من استخدام الحمض. فبدلاً من الاعتماد على الكميات الكبيرة من حمض الكبريتيك المستخدمة في الماضي، قدموا استراتيجية تستخدم كمية أقل بكثير من الحمض ممزوجة بحمض الفوسفوريك لتحضير الغرافيت. ثم أضافوا بعناية مؤكسداً كيميائياً، وهو بيرمنجنات البوتاسيوم، في أجزاء صغيرة ومتحكم بها مع الحفاظ على برودة الخليط. هذا الإيقاع الدقيق منع حدوث ارتفاعات حرارية خطيرة وضمن أكسدة الغرافيت بشكل كامل. وبمجرد اكتمال التفاعل، أوقفوه باستخدام بيروكسيد الهيدروجين وغسلوا المادة الناتجة بحمض الهيدروكلوريك المخفف لإزالة أي أملاح معدنية متبقية، ثم جففوا المنتج ليصبح مسحوقاً ناعماً.

تم تأكيد نتائج هذا النهج الجديد من خلال سلسلة من الفحوصات التفصيلية. فعندما فحص الباحثون بنية المادة باستخدام حيود الأشعة السينية، وجدوا أن طبقات الكربون قد تمددت بشكل كبير، حيث انتقلت من تباعد ضيق يبلغ حوالي 0.34 نانومتر في الغرافيت الأصلي إلى 0.82 نانومتر في المنتج الجديد. ويشير هذا الاتساع إلى أن مجموعات الأكسجين وجزيئات الماء قد حشرت نفسها بنجاح بين طبقات الكربون، مما دفعها للتباعد. كما كشف تحليل إضافي باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء عن وجود غني للمجموعات الكيميائية القائمة على الأكسجين، بما في ذلك مجموعات الهيدروكسيل والكربونيل، وهي مجموعات ضرورية لقدرة المادة على الامتزاج بالماء. كما قاس الفريق نسبة الكربون إلى ذرات الأكسجين ووجد أنها تبلغ تقريباً 1.7 إلى 1، وهي علامة على منتج عالي الأكسدة وفعال.

أظهرت الفحوصات البصرية للمادة أن الغرافيت قد تحول بنجاح إلى رقائق رقيقة ومجعدة تشبه كومة من الورق الرقيق المجعد. ولم تكن هذه الرقائق طبقات منفردة، بل كانت متراكمة في مجموعات صغيرة من حوالي عشر طبقات، وهو هيكل مثالي للعديد من التطبيقات. كما لاحظ الباحثون أن العملية كانت فعالة بشكل ملحوظ، حيث أنتجت ما يقرب من ضعف كتلة المادة الأصلية بسبب الأكسجين المضاف أثناء التفاعل. ولعل الأهم من ذلك هو أن الطريقة الجديدة قللت من كمية الحمض المستهلك بنسبة تزيد عن 91 بالمائة مقارنة بالتقنيات التقليدية. ويعني هذا الانخفاض وجود نفايات خطرة أقل بكثير للمعالجة وبيئة عمل أكثر أماناً، مع الحفاظ في الوقت نفسه على الجودة العالية لأكسيد الجرافين الناتج.

تثبت هذه الدراسة أنه من الممكن إنتاج أكسيد جرافين عالي الجودة دون العبء الكيميائي المفرط للطرق القديمة. فمن خلال ضبط ظروف التفاعل وتقليل حجم الأحماض، أظهر الباحثون أنه يمكن صنع المادة بقدر أكبر من الأمان وتأثير بيئي أقل. ويحتفظ المنتج الناتج بالسلامة الهيكلية والخصائص الكيميائية اللازمة للاستخدامات المتقدمة في تخزين الطاقة، والمستشعرات، والأجهزة الطبية. ويشير هذا العمل إلى أن المسار نحو التصنيع المستدام لهذه المواد النانوية المتقدمة لا يتطلب التضحية بالجودة من أجل السلامة؛ بل إن نهجاً أكثر دقة وتحكماً يمكنه تحقيق كليهما.