Fluorografene: sintesi, proprietà, usi

Il fluorografene è un derivato fluorurato del grafene.
Il grafene è una forma allotropica del carbonio il cui spessore corrisponde a quello di un atomo costituito da atomi di carbonio ibridato sp2  in cui gli atomi sono disposti secondo un reticolo cristallino a nido d’ape.
Il grafene è formalmente un materiale bidimensionale (2D) con un rapporto superficie/massa estremamente elevato identificato per la prima volta in modo inequivocabile nel 2004, dal gruppo di Andre Geim e Konstantin Novoselov

Esso, tuttavia, sebbene abbia comportato una rivoluzione nell’ambito della chimica dei materiali, è una struttura apolare e pertanto poco solubile in acqua. Si hanno con conseguenti limitazioni al suo potenziale di applicazione. Le proprietà del grafene possono essere modificate tramite a una sua funzionalizzazione.

Per realizzare nuovi composti, stante l’inerzia chimica del grafene, si deve procedere in condizioni drastiche per ottenere dei suoi derivati.

Fluorurazione del grafene

Si è quindi proceduto all’ottenimento del fluorografene tramite fluorurazione del grafene o tramite esfoliazione del grafene fluorurato.

grafene da Chimicamo
grafene

Per fluorurare il grafene si utilizza grafene espanso che è trattato con agenti fluoruranti.  Si utilizzano  di alte temperature, pressione o di irraggiamento per ottenere prodotti intermedi attivi che attaccano gli atomi di carbonio ibridati sp2 con formazione di legami carbonio-fluoro ibridati sp3.

Per la fluorurazione diretta del grafene si utilizza il difluoruro di xeno gassoso.

A temperatura ambiente il grafene viene accresciuto mediante deposizione chimica da vapore su un substrato di silicio. Poi è fluorurato con il fluoruro del gas nobile con ottenimento di un materiale completamente fluorurato su entrambi i lati in cui il rapporto stechiometrico tra fluoro e carbonio è di 1:1 e quindi con formula (CF)n.

Ogni atomo di carbonio forma quattro legami diretti lungo i vertici di un tetraedro. Sia gli angoli di legame carbonio-carbonio-fluoro che carbonio-carbonio-carbonio sono di 109.5°.
Diversamente dal grafene, il fluorografene, non ha elettroni liberi e quindi delocalizzati e pertanto è considerato come un isolante.

D’altra parte sono state studiate metodologie di defluorurazione del fluorografene che costituisce un approccio importante per la sua trasformazione in grafene. Tale processo può avvenire sia tramite riduzione chimica che tramite riduzione termica.

Proprietà del fluorografene 

Il fluorografene è un materiale inerte che presenta caratteristiche simili alla fluorografite commerciale e al politetrafluoroetilene noto come teflon, il quale  ha formula (CF2)n  ed è idrofobo e  stabile in molti solventi.
Il fluorografene è stabile a temperature comprese tra i 300 e i 400°C mentre a temperature superiori inizia a decomporsi. A temperature intorno ai 600°C dal materiale si sviluppano prodotti volatili CxFy  a basso peso molecolare

Nonostante il fatto che sia considerato un materiale chimicamente inerte in quanto contiene legami Carbonio-Fluoro, che appartengono ai legami singoli più forti nei composti organici è  dimostrato che può subire una deflorurazione riduttiva con formazione di grafene. La scissione del legame carbonio-fluoro può essere spiegata dal fatto che nel legame vi è una discreta percentuale di carattere ionico.

Studi teorici hanno dimostrato che il fluorografene è suscettibile alla sostituzione nucleofila aprendo la strada ai metodi di sviluppo per la sua modifica e alla preparazione di derivati ​​del grafene.

Usi

Il fluorografene è  uno dei più sottili isolati in 2D e sono studiate le sue applicazioni in campo elettronico ed estese alle tecnologie delle celle solari.
E’ stato anche utilizzato come materiale catodico nelle batterie al litio primarie e secondarie delle quali migliora le caratteristiche di scarica aumentandone la durata.

Grazie alle sue proprietà idrofobe superficiali il fluorografene  trova applicazione per rivestimenti anticorrosione e autopulenti.
Recenti scoperte che documentano l’elevata reattività del fluorografene aprono nuove porte a un’ampia gamma di derivati ​​di grafene.

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