Sotto illuminazione UV, gli elettroni fotogenerati dal biossido di titanio vengono catturati dall'ossido di grafene. Gli elettroni "saltano" dall'altra parte dell'ossido di grafene e possono ridurre gli ioni d'argento, con conseguente crescita di nanoparticelle d'argento. Credito immagine:Ian V. Lightcap, et al. ©2012 American Chemical Society
(Phys.org) -- Il grafene ha molte applicazioni promettenti da solo, ma accoppiando il materiale bidimensionale con il biossido di titanio semiconduttore (TiO 2 ) estende ulteriormente le sue capacità. Un team di chimici dell'Università di Notre Dame a Notre Dame, Indiana, ha dimostrato che l'ossido di grafene (GO)-TiO 2 film, quando illuminato, fa sì che gli elettroni saltino da un lato all'altro della pellicola. Quando si aggiungono ioni d'argento all'immagine, questo salto di elettroni può creare film che hanno un semiconduttore su un lato del GO e un metallo sull'altro. I risultanti film di semiconduttore-grafene-metallo (SGM) potrebbero fungere da sensori chimici altamente sensibili.
I ricercatori, guidato da Prashant Kamat presso il Laboratorio di Chimica e Biochimica e Radiazioni dell'Università di Notre Dame, hanno pubblicato il loro studio sui nuovi film a base di grafene in un recente numero di Il Journal of Physical Chemistry Letters . Il lavoro è stato sostenuto dall'Office of Basic Energy Sciences, Dipartimento di Energia.
Lo studio si basa su ricerche precedenti che hanno dimostrato che GO può funzionare come navetta di elettroni grazie alla sua capacità di trasportare elettroni attraverso la sua superficie, con potenziali applicazioni nelle batterie, fotovoltaico, e catalisi.
Qui, i ricercatori hanno dimostrato che gli elettroni fotogenerati da TiO 2 può essere catturato da GO e trasportato attraverso la sua sp 2 rete (la struttura del “filo di pollo”), perpendicolare al suo piano bidimensionale. Avendo tutti gli elettroni su un lato, il film offre la possibilità di deposizione selettiva laterale di nanoparticelle d'argento, mentre il semiconduttore TiO 2 le nanoparticelle rimangono sul lato opposto.
“Le proprietà conduttive dei fogli di grafene da uno a pochi strati depositati su vari substrati sono state ben studiate, "Kamat ha detto Phys.org . “Di solito il trasporto di elettroni avviene all'interno del piano 2-D. Tenendo le nanoparticelle semiconduttrici su un lato, siamo stati in grado di effettuare la riduzione degli ioni argento sul lato opposto del film di ossido di grafene. Questo processo è la dimostrazione diretta del salto di elettroni in un film di ossido di grafene esfoliato chimicamente”.
Per creare il film composito, i ricercatori hanno iniziato depositando ossido di grafene a strato singolo su un TiO 2 pellicola mediante deposizione elettroforetica. In questo metodo, hanno incollato il TiO 2 pellicola su un elettrodo, e quindi immerso esso e un secondo elettrodo in etanolo contenente fogli di GO. Sotto un campo elettrico applicato, i fogli GO caricati negativamente si sono spostati verso e attaccati al TiO 2 pellicola sull'elettrodo positivo.
Per depositare le nanoparticelle metalliche, i ricercatori hanno posizionato il TiO 2 -GO film in etanolo contenenti ioni d'argento. Sotto illuminazione UV, il TiO 2 elettroni fotogenerati, che sono stati poi trasferiti al GO e trasportati sul lato opposto, dove erano prontamente disponibili per ridurre gli ioni d'argento in nanoparticelle d'argento.
I ricercatori hanno scoperto che potevano controllare la dimensione delle nanoparticelle d'argento sul film controllando il tempo di irradiazione, con tempi di irradiazione più lunghi con conseguente nanoparticelle più grandi. Spiegano che caricare molte piccole nanoparticelle d'argento è importante per realizzare sensori e catalizzatori altamente attivi.
Per testare la sua utilità come sensore, i ricercatori hanno posizionato un film SGM in una soluzione contenente un bersaglio di porfirina in concentrazioni nanomolari. Hanno scoperto che, quando la risonanza plasmonica superficiale delle nanoparticelle d'argento interagisce con la porfirina, amplifica il segnale Raman di destinazione, che indica la presenza della porfirina.
I ricercatori prevedono che lo strato di grafene dovrebbe interagire anche con le molecole bersaglio, che dovrebbe amplificare ulteriormente il segnale Raman e consentire una sensibilità ancora maggiore di varie molecole bersaglio a concentrazioni molto basse. Questa capacità di rilevamento ha un'ampia varietà di applicazioni.
"Ci sono molti contaminanti nell'aria e nell'acqua potabile che devono essere rilevati a concentrazioni molto basse, "Ha detto Kamat. “SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) è una tecnica utile che fa uso di piccole nanoparticelle d'argento per aumentare il limite di sensibilità di rilevamento delle sostanze chimiche. Il film semiconduttore-grafene-metallo preparato nel presente studio presenta due distinti vantaggi:primo, la dimensione e il carico della deposizione di particelle metalliche sul film di ossido di grafene possono essere controllati attraverso l'illuminazione di TiO 2 . E secondo, il film di grafene consente l'adsorbimento di contaminanti chimici dalla soluzione, consentendo così una maggiore concentrazione locale vicino alla superficie delle particelle metalliche.
“Un'altra potenziale applicazione è nell'area della generazione fotocatalitica di combustibili solari. Per esempio, avente nanoparticelle semiconduttrici su un lato di un foglio di grafene e un catalizzatore metallico sull'altro lato, si può creare un assemblaggio ibrido in grado di dividere selettivamente l'acqua in ossigeno e idrogeno”.
Come ha spiegato Kamat, queste applicazioni guideranno il lavoro futuro dei ricercatori.
“Stiamo attualmente lavorando per il rilevamento di contaminanti ambientali a concentrazione sub-nanomolare, ” ha detto. “Un attento controllo delle dimensioni e del carico del metallo sarà la chiave per ottimizzare le strisce per testare la qualità dell'acqua. Stiamo anche esplorando modi per progettare assemblaggi ibridi per la produzione fotocatalitica di combustibili solari”.
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