Vand, vand overalt:Hvordan UV-bestråling reversibelt skifter grafen mellem hydrofobe og hydrofile tilstande

(Phys.org) – Forskere har længe observeret, at befugtningen af ​​grafen – en i det væsentlige todimensionel krystallinsk allotrop af kulstof, som den interagerer mærkeligt med lys og med andre materialer – kan vendes mellem hydrofobe og hydrofile tilstande ved at anvende ultraviolet (UV) bestråling. Imidlertid, en forklaring på denne adfærd er forblevet uhåndgribelig. For nylig, forskere ved University of New South Wales og University of Technology, Sydney undersøger dette fænomen både eksperimentelt og ved beregninger ved hjælp af densitetsfunktionsteori (DFT) - en beregningsmæssig kvantemekanisk modelleringsmetode - og finder ud af, at UV-bestråling muliggør denne reversible og kontrollerbare overgang i grafenfilm, der har induceret defekter ved vandspaltning adsorption på grafenoverfladen af ​​H ₂ O molekyler i luft. ( Vandspaltning er den kemisk dissociative reaktion, hvor vand adskilles i hydroxyl og hydrogen; hydroxyl er en kemisk funktionel gruppe indeholdende et oxygenatom forbundet med en kovalent binding til et hydrogenatom; og adsorption er adhæsion af atomer, ioner, eller molekyler fra en gas, væske, eller opløst fast til en overflade.)

Forskerne konkluderer, at deres opdagelse kan give ny indsigt i de grundlæggende principper for vandopdeling med grafenbaserede materialer, og kan derved føre til andre anvendelser – herunder elektrokatalyse, nanomaterialer; nanoelektromekaniske systemer, biomaterialer, mikrofluidiske enheder, hybride organiske systemer, og andre avancerede multifunktionelle systemer.

Dr. Zhimin Ao diskuterede papiret, at han, Doktorand Zhemi Xu og deres medforfattere udgivet i Videnskabelige rapporter og de vigtigste udfordringer forskerne stod over for. "Den største udfordring - og motivationen for at udføre undersøgelsen - var at afsløre den virkelige mekanisme for den reversible befugtningsovergang under UV-bestråling og isolere den fra forskellige mulige årsager, såsom forurening af kemikalier på prøver eller induceret af molekyler i luft, " fortæller Ao Phys.org . "Vi skulle også identificere H ₂ O i stedet for andre mulige molekyler i luft, som bidrager til befugtningsovergangen under UV-bestråling." Efter at have bestemt bidraget fra H ₂ Åh, tilføjer han, en anden udfordring var at forstå adsorptionstypen af ​​H ₂ O for befugtningsovergangen – dvs. kemisk eller fysisk adsorption.

"For det andet "Ao fortsætter, "for at eliminere ulemper fra kemisk doping og inducerede defekter - såsom organiske molekyler på grafenprøven - der kan være en vigtig faktor i grafens befugtningsovergang under UV, prøverne blev opbevaret i to timer i et vakuum for at fjerne forurenende stoffer på grafenoverfladen." Som et resultat, de fleste af de resterende grafen defekter, såsom ledige stillinger, kanter og korngrænse, ville være der på grund af synteseprocessen.

"Ifølge vores beregninger, om mangler ved ledige stillinger, kant og korngrænse, vandspaltning kan være lettere at opnå. Imidlertid, andre defekter kan også påvirke befugtningen af ​​grafen, såsom aluminiumsdoping, som er blevet rapporteret af en anden avis ¹ af min gruppe."

Nøgleteknikken, som forskerne brugte til at løse disse udfordringer, var at kombinere eksperiment- og førsteprincipberegninger. "I vores eksperiment, vi demonstrerede, at befugtningsevnen af ​​grafen kunne indstilles reversibelt gennem UV-bestråling i luft og vakuumlagring, " siger Ao. "Desuden beregningsmæssige beregninger gør os i stand til at forstå den nøjagtige effekt af hver enkelt faktor." Efter at have sammenlignet deres eksperimentelle og beregningsresultater, forskerne fandt ud af, at Raman-spektre fra eksperimentet svarede til H ₂ O dissociativ adsorption på grafen. (I grafenforskning, Raman-spektroskopi bruges til at bestemme antallet og orienteringen af ​​lag, kvalitet og typer af kant, og virkningerne af forstyrrelser, såsom elektriske og magnetiske felter, stamme, og doping.) Desuden de overvejede også bestråling under forskellige forhold, som i O ₂ og H ₂ O rige miljøer, og fandt ud af, at H ₂ O-koncentrationen påvirkede klart befugtningsændringen af ​​grafen efter bestråling. "Derfor, " tilføjer Ao, "Vi konkluderede, at H ₂ O dissociativ adsorption på grafen inducerer den reversible befugtningsovergang."

Den direkte anvendelse for denne tilgang er vandopdeling – et meget vigtigt skridt i, for eksempel, brintgenerering:Ved at bruge teknikken i dette arbejde, H ₂ O-molekyler kunne let opdeles i OH ^- og H ⁺ grupper og adsorberet på defekt-induceret grafen under UV-bestråling. Efter bestråling, de to grupper kan let desorberes fra grafen og producere brint, gør det muligt at bruge grafen kontinuerligt som katalysator til vandspaltning.

Ao påpeger, at når man fremstiller enheder baseret på grafen – f.eks. solceller – lag-for-lag materialefremstilling er påkrævet. "Hydrofil grafen er lettere at modificere og kombinere med andre materialer end hydrofob grafen. F.eks. i tilfælde af biomaterialer, hydrofil grafen ville være ønskelig for biomolekylekontakten."

Det viser sig, at opnåelse af grafen reversibel befugtning kan opnås ved hjælp af andre teknikker, inklusive eksterne elektriske felter, plasmabehandling, magnetiske felter, og neutrondiffraktion. "Rent faktisk, arbejdet med at opnå grafen reversibel befugtning ved hjælp af eksterne elektriske felter blev også rapporteret ² af min gruppe baseret på første-princip-beregninger. Sammenlignet med brug af eksterne elektriske felter, UV-bestråling er let realiseret i forsøg, mens der kræves et meget højt elektrisk felt for at realisere befugtningsovergangen, " og bemærker, at et eksperiment under et stærkt elektrisk felt er i gang. "Plasma har endnu større energi, og kan inducere flere defekter i grafen. Imidlertid, plasmabehandlingsprocessen er mere kompliceret og har større krav."

Ser frem til, Ao bemærker, at de er nødt til yderligere at afklare mekanismen for grafens hydrofobe til hydrofile overgang under UV-bestråling, fordi sidstnævnte i sig selv kan inducere grafen-defekter. "Selvom UV-bestråling blev antaget at inducere defekter i grafen, problemet er, at disse defekter ikke er indlysende, fordi denne energikilde ikke er stærk nok. For yderligere at tydeliggøre den reversible befugtningsmekanisme, vi kan bruge forskellige energikilder til at undersøge overgangen, såsom røntgen- og neutrondiffraktion." De planlægger også at undersøge ledningsevneændringer og transportegenskaber under UV-bestråling.

"Grafenfilm med høj elektrisk ledningsevne med høj hydrofilicitet er altid ønskeligt, " fortæller Ao Phys.org . "Imidlertid, disse to egenskaber modstår normalt hinanden. Når du arbejder med grafen-baserede enheder, at udforske den elektriske ledningsevne variation af grafen i sådanne processer kan hjælpe med at kontrollere og balancere disse to egenskaber."

Andre områder, der kunne drage fordel af deres undersøgelse, Ao konkluderer, omfatter sensorer og brintgenerering og -lagring.

© 2014 Phys.org