Estudio DFT del proceso de reducción del óxido de grafeno

Abstract

En los últimos años se han desarrollados varios métodos para la producción de grafeno. Uno de ellos es la exfoliación mecánica, el cual resulta laborioso y con una baja probabilidad de encontrar hojas de grafeno grandes y aisladas. Existen también métodos que producen grafeno mediante el crecimiento epitaxial de monocapas, pero requieren ya sea de condiciones de alto vacío o de procedimientos especializados que aún no se han desarrollado en forma plena. Por último, el método que ha demostrado mayor efectividad en la preparación de grafeno en grandes cantidades es la reducción de los derivados del grafito, entre los que se encuentra el óxido de grafeno (GO). Recientemente la atención de los investigadores se ha enfocado en la búsqueda de reductores adecuados de GO para la producción de grafeno. La reducción térmica ha probado tener una importante eficiencia en cuanto a la desoxigenación del GO. Sin embargo, el grafeno obtenido presenta una pobre estabilidad coloidal. Por otra parte, si bien la hidracina ha demostrado ser un reductor muy efectivo, su uso a gran escala representa tanto un problema de seguridad como ambiental, debido a que este compuesto es altamente tóxico y potencialmente explosivo. Por ese motivo, ha surgido en la actualidad un gran interés en utilizar reductores menos activos que sean amigables con el medio ambiente. Uno de ellos es la dopamina (DA), la cual ha demostrado ser un buen reductor en condiciones convenientes de temperatura y tiempo de reacción. Además, este compuesto metabólico exhibe propiedades de autopolimerización, inhibiendo la aglomeración de las láminas de grafeno debido a su carácter hidrofóbico. En el presente trabajo se realizó un estudio teórico relativo al proceso de reducción de distintos modelos de la superficie basal de GO, empleando como agente reductor la forma zwitteriónica de la DA (ZDA). Cabe destacar que en un trabajo previo se ha demostrado que la ZDA interactúa más fuertemente que la DA con una superficie metálica de Ag. Los cálculos se realizaron en el marco de la teoría del funcional de la densidad (DFT), empleando el programa VASP (Vienna Ab-initio Simulation Program). Se incluyeron efectos dispersivos mediante el método DFT-D2 de S. Grimme. Para modelar la superficie de GO se consideró una celda hexagonal 5x5 con varias configuraciones de 5 grupos funcionales epoxi (GO5) o de 5 grupos hidroxilo (G(OH)5). Para cada sistema considerado se produjo el acercamiento de la molécula ZDA hacia uno de dichos grupos funcionales, orientando su anillo aromático de forma paralela con respecto al plano basal de GO. En todos los casos la energía de adsorción resultó ser exotérmica. Se observó que la molécula de ZDA se adsorbe de manera no disociativa sobre los sistemas GO5, mientras que lo hace disociativamente sobre algunos de los sistemas G(OH)5. En esta última situación, un átomo de H del grupo amino de la ZDA se combina con un grupo hidroxilo de la superficie GO, produciendo una molécula de H2O, que permanece anclada cerca de la superficie reducida. Es preciso señalar que la adsorción no disociativa en ZDA/GO5 se acompaña con una importante transferencia electrónica hacia el substrato.