Under UV-belysning, fotogenererade elektroner från titandioxiden fångas upp av grafenoxiden. Elektronerna "hoppar" till andra sidan av grafenoxiden och kan reducera silverjoner, vilket resulterar i tillväxt av silvernanopartiklar. Bildkredit:Ian V. Lightcap, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org) -- Graphene har många lovande applikationer på egen hand, men para ihop det tvådimensionella materialet med halvledaren titandioxid (TiO 2 ) utökar sina möjligheter ytterligare. Ett team av kemister vid University of Notre Dame i Notre Dame, Indiana, har visat att grafenoxid (GO)-TiO 2 filmer, när den är upplyst, få elektroner att hoppa från ena sidan av filmen till den andra. När du lägger till silverjoner till bilden, detta elektronhoppning kan skapa filmer som har en halvledare på ena sidan av GO och metall på den andra. De resulterande halvledar-grafen-metall (SGM) filmerna kan fungera som mycket känsliga kemiska sensorer.
Forskarna, ledd av Prashant Kamat vid Chemistry &Biochemistry and Radiation Laboratory vid University of Notre Dame, har publicerat sin studie om de nya grafenbaserade filmerna i ett färskt nummer av The Journal of Physical Chemistry Letters . Arbetet stöddes av Office of Basic Energy Sciences, Institutionen för energi.
Studien bygger på tidigare forskning som har visat att GO kan fungera som en elektronskyttel på grund av dess förmåga att transportera elektroner över dess yta, med potentiella tillämpningar i batterier, solceller, och katalys.
Här, forskarna har visat att fotogenererade elektroner från TiO 2 kan fångas av GO och transporteras genom dess sp 2 nätverk ("kycklingnätsstrukturen") vinkelrätt mot dess tvådimensionella plan. Genom att ha alla elektroner på ena sidan, filmen erbjuder möjligheten för sidoselektiv avsättning av silvernanopartiklar, medan den halvledande TiO 2 nanopartiklar finns kvar på motsatt sida.
"De ledande egenskaperna hos en-till-få-lagers grafenark avsatta på olika substrat har studerats väl, ” berättade Kamat Phys.org . "Vanligtvis sker transporten av elektroner inom 2D-planet. Genom att hålla halvledarnanopartiklarna på ena sidan, vi kunde utföra reduktion av silverjoner på motsatt sida av grafenoxidfilmen. Denna process är en direkt demonstration av elektronhopp i en kemiskt exfolierad grafenoxidfilm."
För att skapa kompositfilmen, forskarna började med att deponera enskiktsgrafenoxid på en TiO 2 film med hjälp av elektroforetisk avsättning. I denna metod, de klistrade in TiO 2 film på en elektrod, och nedsänkte sedan den och en andra elektrod i etanol innehållande GO-ark. Under ett pålagt elektriskt fält, de negativt laddade GO-arken rörde sig mot och fäste vid TiO 2 film på den positiva elektroden.
För att deponera metallnanopartiklarna, forskarna placerade TiO 2 -GO-filmer i etanol innehållande silverjoner. Under UV-belysning, TiO 2 fotogenererade elektroner, som sedan överfördes till GO och skjutsades till motsatt sida, där de var lätt tillgängliga för att reducera silverjonerna till silvernanopartiklar.
Forskarna fann att de kunde kontrollera storleken på silvernanopartiklarna på filmen genom att kontrollera bestrålningstiden, med längre bestrålningstider vilket resulterar i större nanopartiklar. De förklarar att det är viktigt att ladda massor av små silvernanopartiklar för att göra högaktiva sensorer och katalysatorer.
För att testa dess användbarhet som sensor, forskarna placerade en SGM-film i en lösning innehållande ett porfyrinmål i nanomolära koncentrationer. De fann att, när ytplasmonresonansen hos silvernanopartiklarna interagerar med porfyrinet, det förstärker målet Raman-signalen, vilket indikerar närvaron av porfyrin.
Forskarna förutspår att grafenskiktet också ska interagera med målmolekylerna, vilket borde förstärka Raman-signalen ytterligare och möjliggöra en ännu högre känslighet för olika målmolekyler vid mycket låga koncentrationer. Denna avkänningsförmåga har en mängd olika tillämpningar.
"Det finns många föroreningar i luft och dricksvatten som måste detekteras vid mycket låga koncentrationer, sa Kamat. "SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) är en användbar teknik som använder små silvernanopartiklar för att öka känslighetsgränsen för detektion av kemikalier. Den halvledar-grafen-metallfilm som framställts i denna studie har två distinkta fördelar:För det första, storleken och belastningen av metallpartikelavsättning på grafenoxidfilmen kan kontrolleras genom belysning av TiO 2 . Och för det andra, grafenfilmen möjliggör adsorption av kemiska föroreningar från lösning, vilket möjliggör högre lokal koncentration nära metallpartikelytan.
"En annan potentiell tillämpning är inom området fotokatalytisk generering av solbränslen. Till exempel, med halvledarnanopartiklar på ena sidan av ett grafenark och en metallkatalysator på den andra sidan, man kan skapa en hybridenhet som selektivt kan dela upp vatten i syre och väte."
Som Kamat förklarade, dessa applikationer kommer att vägleda forskarnas framtida arbete.
"Vi arbetar för närvarande med att detektera miljöföroreningar i subnanomolära koncentrationer, " sa han. "Noggrann kontroll av metallstorlek och belastning kommer att vara nyckeln till att optimera remsor för att testa vattenkvaliteten. Vi undersöker också sätt att designa hybridaggregat för fotokatalytisk produktion av solbränslen."
© 2012 Phys.Org
