Kovalente Elektronentransferchemie von Graphen mit Diazoniumsalzen

Graphen ist ein atomar dünnes, zweidimensionales Allotrop von Kohlenstoff mit außergewöhnlich hohen Ladungsträgerbeweglichkeiten, thermischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit. Aus der Sicht eines Chemikers kann Graphen als großes polycyclisches aromatisches Molekül und als eine Oberfläche ohne Volumenbeitrag betrachtet werden. Folglich wurden Chemien, die typischerweise an organischen Molekülen und Oberflächen durchgeführt werden, als Ausgangspunkte für die chemische Funktionsanpassung von Graphen verwendet. Die Motivationen für die chemische Modifikation von Graphen umfassen die Veränderung seines Dotierungsgrads, das Öffnen einer elektronischen Bandlücke, die Speicherung von elektrischer Ladung, chemische und biologische Sensorik, die Herstellung neuer Verbundmaterialien und die Hochskalierung von lösungsprozessierbarem Graphen. In diesem Bericht konzentrieren wir uns auf die Funktionsanpassung von Graphen durch Elektronentransferchemien, insbesondere durch Reaktionen mit aryl Diazoniumsalzen. Da die Elektronentransferchemien von der Fermi-Energie von Graphen und der Dichte der Zustände der Reagenzien abhängen, hängt die resultierende Reaktionsgeschwindigkeit von der Anzahl der Graphenschichten, Randzuständen, Defekten, atomaren Struktur und dem elektrostaatischen Umfeld ab. Wir beschränken unseren Bericht auf reines Graphen im Vergleich zu Graphenoxid, da freie Elektronen im letzteren bereits an sauerstoffhaltige Funktionalitäten gebunden sind und die resultierenden Chemien von lokalisierter Reaktivität und Defekten dominiert werden. Wir beschreiben den Reaktionsmechanismus der Diazoniumfunktionsanpassung von Graphen und zeigen, dass die Reaktionsbedingungen die relativen Grade der Chemisorption und Physisorption bestimmen, was eine kontrollierte Modulation der elektronischen Eigenschaften von Graphen ermöglicht. Schließlich erörtern wir verschiedene Anwendungen für durch diese Chemie modifiziertes Graphen, einschließlich als Zusatz in Polymer-Matrizen, als Biosensoren in Kombination mit Zellen und Biomolekülen und als Katalysatoren in Kombination mit Nanopartikeln.