Elektronhop i grafenoxid fører til meget følsom sansning

(Phys.org) -- Graphene har mange lovende applikationer alene, men parrer det todimensionelle materiale med halvlederen titaniumdioxid (TiO ₂ ) udvider sine muligheder endnu mere. Et team af kemikere ved University of Notre Dame i Notre Dame, Indiana, har vist, at grafenoxid (GO)-TiO ₂ film, når den er oplyst, få elektroner til at hoppe fra den ene side af filmen til den anden. Når du tilføjer sølvioner til billedet, dette elektronhop kan skabe film, der har en halvleder på den ene side af GO'en og metal på den anden. De resulterende halvleder-grafen-metal (SGM) film kunne tjene som meget følsomme kemiske sensorer.

Forskerne, ledet af Prashant Kamat ved Chemistry &Biochemistry and Radiation Laboratory ved University of Notre Dame, har offentliggjort deres undersøgelse om de nye grafen-baserede film i et nyligt nummer af The Journal of Physical Chemistry Letters . Arbejdet blev støttet af Office of Basic Energy Sciences, Energiministeriet.

Undersøgelsen bygger på tidligere forskning, der har vist, at GO kan fungere som en elektron-shuttle på grund af dens evne til at transportere elektroner hen over dens overflade, med potentielle anvendelser i batterier, solcelleanlæg, og katalyse.

Her, forskerne har vist, at fotogenererede elektroner fra TiO ₂ kan fanges af GO og transporteres gennem sin sp ² netværk ("kyllingetrådsstrukturen") vinkelret på dets todimensionelle plan. Ved at have alle elektroner på den ene side, filmen giver mulighed for side-selektiv aflejring af sølv nanopartikler, mens den halvledende TiO ₂ nanopartikler forbliver på den modsatte side.

"De ledende egenskaber af enkelt-til-få-lags grafenplader afsat på forskellige substrater er blevet grundigt undersøgt, ” fortalte Kamat Phys.org . "Normalt foregår transporten af ​​elektroner inden for 2-D-planet. Ved at holde halvledernanopartiklerne på den ene side, vi var i stand til at udføre reduktion af sølvioner på den modsatte side af grafenoxidfilmen. Denne proces er den direkte demonstration af elektronhop i en kemisk eksfolieret grafenoxidfilm."

For at skabe den sammensatte film, forskerne startede med at deponere enkeltlags grafenoxid på en TiO ₂ film ved hjælp af elektroforetisk aflejring. I denne metode, de klistrede TiO ₂ film på en elektrode, og derefter nedsænket den og en anden elektrode i ethanol indeholdende GO-ark. Under et påført elektrisk felt, de negativt ladede GO-ark bevægede sig mod og fæstnet til TiO ₂ film på den positive elektrode.

For at deponere metalnanopartiklerne, forskerne placerede TiO ₂ -GO-film i ethanol indeholdende sølvioner. Under UV-belysning, TiO ₂ fotogenererede elektroner, som derefter blev overført til GO og shuttlet til den modsatte side, hvor de var let tilgængelige til at reducere sølvionerne til sølvnanopartikler.

Forskerne fandt ud af, at de kunne kontrollere størrelsen af ​​sølvnanopartiklerne på filmen ved at kontrollere bestrålingstiden, med længere bestrålingstider, hvilket resulterer i større nanopartikler. De forklarer, at læsning af mange små sølvnanopartikler er vigtigt for at lave meget aktive sensorer og katalysatorer.

For at teste dens anvendelighed som sensor, forskerne placerede en SGM-film i en opløsning indeholdende et porphyrin-mål i nanomolære koncentrationer. De fandt ud af, at når overfladeplasmonresonansen af ​​sølvnanopartiklerne interagerer med porfyrinet, det forstærker målet Raman-signalet, hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​porphyrin.

Forskerne forudsiger, at grafenlaget også skulle interagere med målmolekylerne, som skulle forstærke Raman-signalet yderligere og give mulighed for en endnu højere følsomhed af forskellige målmolekyler ved meget lave koncentrationer. Denne sanseevne har en bred vifte af applikationer.

"Der er mange forurenende stoffer i luft og drikkevand, der skal påvises i meget lave koncentrationer, " sagde Kamat. "SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) er en nyttig teknik, der gør brug af små sølvnanopartikler til at øge følsomhedsgrænsen for detektion af kemikalier. Halvleder-grafen-metalfilmen fremstillet i denne undersøgelse har to distinkte fordele:For det første, størrelsen og belastningen af ​​metalpartikelaflejring på grafenoxidfilmen kan kontrolleres gennem belysning af TiO ₂ . Og for det andet, grafenfilmen muliggør adsorption af kemiske kontaminanter fra opløsning, hvilket muliggør højere lokal koncentration nær metalpartikeloverfladen.

"En anden potentiel anvendelse er inden for fotokatalytisk generering af solbrændstoffer. For eksempel, med halvledernanopartikler på den ene side af en grafenplade og en metalkatalysator på den anden side, man kan skabe en hybrid enhed, der selektivt kan opdele vand i oxygen og brint."

Som Kamat forklarede, disse ansøgninger vil guide forskernes fremtidige arbejde.

"Vi arbejder i øjeblikket på at påvise miljøforurenende stoffer i subnanomolær koncentration, " sagde han. "Omhyggelig kontrol af metalstørrelse og belastning vil være nøglen til at optimere strimler til test af vandkvalitet. Vi udforsker også måder at designe hybridkonstruktion til fotokatalytisk produktion af solbrændstoffer."

© 2012 Phys.Org