(Phys.org) – Forskare har länge observerat att vätbarheten hos grafen – en i huvudsak tvådimensionell kristallin allotrop av kol som den interagerar konstigt med ljus och med andra material – kan vändas mellan hydrofoba och hydrofila tillstånd genom att applicera ultraviolett (UV) bestrålning. Dock, en förklaring till detta beteende har förblivit svårfångad. Nyligen, forskare vid University of New South Wales och University of Technology, Sydney undersöker detta fenomen både experimentellt och genom beräkningar med densitetsfunktionsteori (DFT) – en beräkningsmetod för kvantmekanisk modellering – och fann att UV-bestrålning möjliggör denna reversibla och kontrollerbara övergång i grafenfilmer som har inducerat defekter genom vattensplittring av adsorption på grafenytan av H ₂ O molekyler i luft. ( Vattenklyvning är den kemiskt dissociativa reaktionen i vilken vatten separeras i hydroxyl och väte; hydroxyl är en kemisk funktionell grupp innehållande en syreatom kopplad till en väteatom genom en kovalent bindning; och adsorption är adhesion av atomer, joner, eller molekyler från en gas, flytande, eller löst fast till en yta.)

Forskarna drar slutsatsen att deras upptäckt kan ge nya insikter i de grundläggande principerna för vattendelning med grafenbaserade material, och kan därmed leda till andra tillämpningar – inklusive elektrokatalys, nanomaterial; nanoelektromekaniska system, biomaterial, mikrofluidiska enheter, hybrid organiska system, och andra avancerade multifunktionssystem.

Dr Zhimin Ao diskuterade uppsatsen att han, Doktoranden Zhemi Xu och deras medförfattare publicerade i Vetenskapliga rapporter och de viktigaste utmaningarna forskarna stod inför. "Den största utmaningen - och motivationen för att genomföra studien - var att avslöja den verkliga mekanismen för den reversibla vätbarhetsövergången under UV-bestrålning och isolera den från olika möjliga orsaker, såsom kontaminering av kemikalier på prover eller inducerad av molekyler i luft, "Ao berättar Phys.org . "Vi var också tvungna att identifiera H ₂ O snarare än andra möjliga molekyler i luft, som bidrar till vätbarhetsövergången under UV-bestrålning." Efter att ha bestämt bidraget från H ₂ O, han lägger till, en annan utmaning var att förstå adsorptionstypen av H ₂ O för vätbarhetsövergången – det vill säga, kemisk eller fysikalisk adsorption.

"För det andra, "Ao fortsätter, "för att eliminera nackdelarna från kemisk dopning och inducerade defekter - såsom organiska molekyler på grafenprovet - som kan vara en viktig faktor i grafens vätbarhetsövergång under UV, proverna lagrades i två timmar i vakuum för att avlägsna föroreningar på grafenytan." de flesta av de återstående grafendefekterna, såsom lediga jobb, kanter och korngräns, skulle finnas där på grund av syntesprocessen.

"Enligt våra beräkningar, om brister i vakanser, kant och korngräns, vattenklyvning kan vara lättare att uppnå. Dock, andra defekter kan också påverka vätbarheten hos grafen, som aluminiumdopning, vilket har rapporterats av en annan tidning ¹ i min grupp."

Nyckeltekniken som forskarna använde för att ta itu med dessa utmaningar var att kombinera experiment och första principberäkningar. "I vårt experiment, vi visade att vätbarheten hos grafen kunde justeras reversibelt genom UV-bestrålning i luft och vakuumlagring, " säger Ao. "Dessutom, beräkningar gör det möjligt för oss att förstå den exakta effekten av varje enskild faktor." Efter att ha jämfört deras experimentella resultat och beräkningsresultat, forskarna fann att Raman-spektra från experimentet liknade det för H ₂ O dissociativ adsorption på grafen. (I grafenforskning, Ramanspektroskopi används för att bestämma antalet och orienteringen av lager, kvalitet och typer av kant, och effekterna av störningar, såsom elektriska och magnetiska fält, anstränga, och doping.) Dessutom, de övervägde också bestrålning vid olika förhållanden, som i O ₂ och H ₂ O rika miljöer, och fann att H ₂ O-koncentrationen påverkade tydligt vätbarhetsförändringen av grafen efter bestrålning. "Därför, " Ao tillägger, "vi drog slutsatsen att H ₂ O dissociativ adsorption på grafen inducerar den reversibla vätbarhetsövergången."

Den direkta tillämpningen av detta tillvägagångssätt är vattenklyvning – ett mycket viktigt steg i, till exempel, vätegenerering:Genom att använda tekniken i detta arbete, H ₂ O-molekyler kan lätt delas upp i OH ^- och H ⁺ grupper och adsorberas på defektinducerad grafen under UV-bestrålning. Efter bestrålning, de två grupperna kan lätt desorberas från grafenen och producera väte, vilket gör att grafenen kan användas kontinuerligt som en katalysator för vattenklyvning.

Ao påpekar att när man tillverkar enheter baserade på grafen – t.ex. solceller – materialtillverkning lager för lager krävs. "Hydrofil grafen är lättare att modifiera och kombinera med andra material än hydrofob grafen. T.ex. när det gäller biomaterial, hydrofilt grafen skulle vara önskvärt för biomolekylkontakt."

Det visar sig att uppnå grafen reversibel vätbarhet kan uppnås med andra tekniker, inklusive externa elektriska fält, plasmabehandling, magnetiska fält, och neutrondiffraktion. "Faktiskt, arbetet med att uppnå grafen reversibel vätbarhet med hjälp av externa elektriska fält rapporterades också ² av min grupp baserat på första principberäkningar. Jämfört med att använda externa elektriska fält, UV-strålning är lätt att realisera i experiment, medan ett mycket högt elektriskt fält krävs för att realisera vätbarhetsövergången, " noterar att ett experiment under ett starkt elektriskt fält pågår. "Plasma har ännu större energi, och kan inducera fler defekter i grafen. Dock, plasmabehandlingsprocessen är mer komplicerad och har större krav."

Blickar framåt, Ao noterar att de behöver förtydliga mekanismen för grafens hydrofoba till hydrofila övergång under UV-bestrålning eftersom den senare i sig kan inducera grafendefekter. "Även om UV-bestrålning troddes inducera defekter i grafen, problemet är att dessa defekter inte är uppenbara eftersom denna energikälla inte är tillräckligt stark. För att ytterligare förtydliga den reversibla vätbarhetsmekanismen, vi kan använda olika energikällor för att undersöka övergången, såsom röntgen- och neutrondiffraktion." De planerar också att undersöka konduktivitetsförändringar och transportegenskaper under UV-bestrålning.

"Grafenfilm med hög elektrisk ledningsförmåga med hög hydrofilicitet är alltid önskvärt, "Ao berättar Phys.org . "Dock, dessa två egenskaper står normalt emot varandra. När du arbetar med grafenbaserade enheter, att utforska den elektriska konduktivitetsvariationen hos grafen i sådana processer kan hjälpa till att kontrollera och balansera dessa två egenskaper."

Andra områden som kan dra nytta av deras studier, Ao avslutar, inkluderar sensorer och generering och lagring av väte.

© 2014 Phys.org