グラファイト表面は疎水性ですか？

グラファイト炭素は、電極、吸着剤、触媒支持、固体潤滑剤などの無数の用途を備えた重要な固体材料です。水とグラファイトの炭素の間の相互作用を理解することは、基本的な材料の特性評価と実用的なデバイスの製造の両方にとって非常に重要です。これは、多くのアプリケーションには水のグラフィティック界面が不可欠であるためです。過去数十年にわたってグラフェンとカーボンナノチューブの研究の関心は、グラファイト炭素の濡れ性を解明し、周囲の環境との相互作用を理解するために新たな関心をもたらしました。このトピックに関する研究は、1940年代にまでさかのぼることができ、一般的な概念は、グラファイト炭素が疎水性であるということでした。さまざまな声がありましたが、この結論は多くの以前の水接触角試験で裏付けられており、SP2炭素は本質的に非極性であるため、コミュニティによく受け入れられています。しかし、我々のグループの最近の結果は、グラファイト表面が本質的に軽度の親水性であり、周囲の空気からの吸着炭化水素汚染物質が表面疎水性をもたらすことを示した。この予期せぬ発見は、長期にわたる受胎に挑戦し、グラフ材料の作成、モデル化、修正方法を完全に変える可能性があります。同様の調査結果を報告している他のいくつかの研究グループがあるため、コミュニティがグラフ材料の表面関連特性に対する空中汚染の重要性を認識し、固有の水グラファイトの相互作用を再検討することが重要です。このアカウントの目的は、グラファイト表面の水の濡れ性に関する最近の作業を要約し、固有の水とグラファイトの相互作用を理解するための将来の研究の方向性を議論することです。歴史的視点は、グラファイトが疎水性であるという長い間受け入れられている概念と、そうでないことを示唆するいくつかの報告を強調する最初に提供されます。次に、最近の実験データが提示され、手付かずのグラフェンとグラファイトが軽度の親水性であることを示します。化学分析により、炭化水素はきれいな表面に吸着し、疎水性を吸収することが示されました。これらの結果は、炭化水素汚染の前後のグラフ酸表面の表面エネルギーの変化を分析することにより、さらに合理化されています。汚染された表面から炭化水素を除去するための容易な方法と、炭化水素の吸着を抑制するために開発した便利な水処理方法とともに説明します。汚染の意味は、自然と汚染されたグラファイトの電気化学的活性を比較することで説明されます。最後に、これらの調査結果の結果と、いくつかの重要な未回答の質問に対処するための将来の研究の方向性について説明します。

Graphitic carbons are important solid materials with myriad applications including electrodes, adsorbents, catalyst support, and solid lubricants. Understanding the interaction between water and graphitic carbons is critically important for both fundamental material characterization and practical device fabrication because the water-graphitic interface is essential to many applications. Research interests in graphene and carbon nanotubes over the past decades have brought renewed interest to elucidate wettability of graphitic carbons and understand their interaction with the surrounding environment. Research on this topic can be traced back to the 1940s, and the prevailing notion has been that graphitic carbons are hydrophobic. Though there have been different voices, this conclusion is supported by many previous water contact angle tests and well accepted by the community since sp2 carbon is nonpolar in nature. However, recent results from our groups showed that graphitic surfaces are intrinsically mildly hydrophilic and adsorbed hydrocarbon contaminants from the ambient air render the surface hydrophobic. This unexpected finding challenges the long-lasting conception and could completely change the way graphitic materials are made, modeled, and modified. With several other research groups reporting similar findings, it is important for the community to realize the importance of airborne contamination on the surface-related properties of graphitic materials and revisit the intrinsic water-graphite interaction. This Account aims to summarize our recent work on water wettability of graphitic surfaces and discuss future research directions toward understanding the intrinsic water-graphite interaction. Historical perspective will first be provided highlighting the long accepted notion that graphite is hydrophobic along with a few reports suggesting otherwise. Next, our recent experimental data will be presented showing that pristine graphene and graphite are mildly hydrophilic; chemical analysis showed that hydrocarbons adsorb onto the clean surfaces thus rendering them hydrophobic. These results are further rationalized by analyzing the change in surface energy of the graphitic surfaces before and after hydrocarbon contamination. Facile methods to remove hydrocarbons from a contaminated surface will be discussed along with a convenient water treatment method that we developed to inhibit hydrocarbon adsorption onto a pristine graphitic surface. Implications of contamination will be illustrated through comparing the electrochemical activity of pristine and contaminated graphite. Lastly, consequences of these findings and future research directions to address a few important unanswered questions will be discussed.