Strutture atomiche di una molecola di H2O o di O2 adsorbite su grafene con diversi tipi di difetti. Credito:Xu, Z. et al. Transizione reversibile da idrofoba a idrofila nel grafene tramite la scissione dell'acqua indotta dall'irradiazione UV. Sci. rappresentante . 4, 6450.
(Phys.org) —Gli scienziati hanno da tempo osservato che la bagnabilità del grafene – un allotropo cristallino essenzialmente bidimensionale del carbonio che interagisce in modo strano con la luce e con altri materiali – può essere invertita tra stati idrofobici e idrofili applicando l'ultravioletto (UV) irradiazione. Però, una spiegazione per questo comportamento è rimasta sfuggente. Recentemente, ricercatori della University of New South Wales e della University of Technology, Sydney studiando questo fenomeno sia sperimentalmente che mediante calcoli utilizzando la teoria del funzionale della densità (DFT) - un metodo di modellazione quantistica meccanica computazionale - scoprendo che l'irradiazione UV consente questa transizione reversibile e controllabile nei film di grafene che hanno indotto difetti mediante adsorbimento per scissione dell'acqua sulla superficie del grafene di H 2 O molecole nell'aria. ( Scissione dell'acqua è la reazione chimicamente dissociativa in cui l'acqua viene separata in idrossile e idrogeno; idrossile è un gruppo funzionale chimico contenente un atomo di ossigeno collegato da un legame covalente a un atomo di idrogeno; e adsorbimento è l'adesione degli atomi, ioni, o molecole di un gas, liquido, o solido disciolto su una superficie.)
Gli scienziati concludono che la loro scoperta potrebbe fornire nuove informazioni sui principi fondamentali della scissione dell'acqua con materiali a base di grafene, e potrebbe quindi portare ad altre applicazioni, tra cui l'elettrocatalisi, nanomateriali; sistemi nanoelettromeccanici, biomateriali, dispositivi microfluidici, sistemi organici ibridi, e altri sistemi multifunzionali avanzati.
Il dottor Zhimin Ao ha discusso del documento che lui, La dottoranda Zhemi Xu e i loro coautori pubblicati in Rapporti scientifici e le principali sfide affrontate dai ricercatori. "La sfida principale - e la motivazione per condurre lo studio - è stata quella di rivelare il vero meccanismo della transizione reversibile della bagnabilità sotto irraggiamento UV e isolarlo da varie possibili ragioni, come la contaminazione di sostanze chimiche sui campioni o indotta da molecole nell'aria, "Ao racconta Phys.org . "Abbiamo anche dovuto identificare H 2 O piuttosto che altre possibili molecole nell'aria, che contribuisce alla transizione di bagnabilità sotto irraggiamento UV." Dopo aver determinato il contributo di H 2 Oh, Aggiunge, un'altra sfida era capire il tipo di adsorbimento di H 2 O per la transizione della bagnabilità, ovvero adsorbimento chimico o fisico.
"In secondo luogo, "Ao continua, "per eliminare gli inconvenienti del drogaggio chimico e dei difetti indotti - come le molecole organiche sul campione di grafene - che possono essere un fattore importante nella transizione della bagnabilità del grafene sotto i raggi UV, i campioni sono stati conservati per due ore sotto vuoto per rimuovere i contaminanti sulla superficie del grafene." Di conseguenza, la maggior parte dei restanti difetti del grafene, come posti vacanti, bordi e bordo grano, sarebbe lì a causa del processo di sintesi.
"Secondo i nostri calcoli, sui vizi dei posti vacanti, bordo e confine di grano, la scissione dell'acqua può essere più facile da ottenere. Però, altri difetti possono anche influenzare la bagnabilità del grafene, come il drogaggio dell'alluminio, che è stato riportato da un altro giornale 1 del mio gruppo».
Le vie di reazione per l'adsorbimento dissociativo di una molecola di H2O e di O2 su grafene. Grafene incontaminato (a) e (b); grafene con vacanza mono-atomo (c) e (d); vacanza (e) e (f); bordo (g) e (h); bordo grano (i) e (j). Credito:Xu, Z. et al. Transizione reversibile da idrofoba a idrofila nel grafene tramite la scissione dell'acqua indotta dall'irradiazione UV. Sci. rappresentante . 4, 6450.
La tecnica chiave utilizzata dai ricercatori per affrontare queste sfide è stata quella di combinare esperimenti e calcoli dei principi primi. "Nel nostro esperimento, abbiamo dimostrato che la bagnabilità del grafene potrebbe essere sintonizzata in modo reversibile attraverso l'irradiazione UV nell'aria e la conservazione sottovuoto, " Ao dice. "Inoltre, calcoli computazionali ci consentono di comprendere l'esatto effetto di ogni singolo fattore." Dopo aver confrontato i risultati sperimentali e di calcolo, gli scienziati hanno scoperto che gli spettri Raman dell'esperimento erano simili a quelli di H 2 O adsorbimento dissociativo su grafene. (Nella ricerca sul grafene, La spettroscopia Raman viene utilizzata per determinare il numero e l'orientamento degli strati, la qualità e i tipi di bordo, e gli effetti delle perturbazioni, come i campi elettrici e magnetici, sforzo, e doping.) Inoltre, hanno anche considerato irradiazioni in condizioni diverse, come in O 2 e H 2 O ricchi ambienti, e ho trovato che H 2 La concentrazione di O ha chiaramente influenzato il cambiamento di bagnabilità del grafene dopo l'irradiazione. "Perciò, "Ao aggiunge, "abbiamo concluso che H 2 L'adsorbimento dissociativo di O sul grafene induce la transizione reversibile della bagnabilità".
L'applicazione diretta di questo approccio è la scissione dell'acqua, un passo molto importante Per esempio, generazione di idrogeno:utilizzando la tecnica in questo lavoro, h 2 Le molecole di O potrebbero essere facilmente scisse in OH - e H + gruppi e adsorbito su grafene indotto da difetti sotto irraggiamento UV. Dopo l'irradiazione, i due gruppi possono essere facilmente desorbiti dal grafene e produrre idrogeno, consentendo al grafene di essere utilizzato continuamente come catalizzatore per la scissione dell'acqua.
Ao sottolinea che quando si fabbricano dispositivi basati sul grafene, ad esempio, celle solari:è richiesta la fabbricazione di materiali strato per strato. "Il grafene idrofilo è più facilmente modificato e combinato con altri materiali rispetto al grafene idrofobo. Ad esempio, nel caso dei biomateriali, il grafene idrofilo sarebbe desiderabile per il contatto con la biomolecola."
Si scopre che il raggiungimento della bagnabilità reversibile del grafene può essere ottenuto utilizzando altre tecniche, compresi i campi elettrici esterni, trattamento al plasma, campi magnetici, e diffrazione di neutroni. "In realtà, è stato anche riportato il lavoro con il raggiungimento della bagnabilità reversibile del grafene utilizzando campi elettrici esterni 2 dal mio gruppo sulla base di calcoli del primo principio. Rispetto all'utilizzo di campi elettrici esterni, L'irradiazione UV è facilmente realizzabile nell'esperimento, mentre è necessario un campo elettrico molto elevato per realizzare la transizione di bagnabilità, " notando che è in corso un esperimento sotto un forte campo elettrico. "Il plasma ha un'energia ancora maggiore, e può indurre più difetti nel grafene. Però, il processo di trattamento al plasma è più complicato e richiede maggiori requisiti."
Spettri Raman calcolati del grafene. (a) Con acqua, e (b) con ossigeno adsorbito in modo dissociativo. Credito:Xu, Z. et al. Transizione reversibile da idrofoba a idrofila nel grafene tramite la scissione dell'acqua indotta dall'irradiazione UV. Sci. rappresentante . 4, 6450.
Guardando avanti, Ao osserva che hanno bisogno di chiarire ulteriormente il meccanismo per la transizione da idrofoba a idrofila del grafene sotto irraggiamento UV perché quest'ultimo stesso può indurre difetti di grafene. "Sebbene si ritenesse che l'irradiazione UV inducesse difetti nel grafene, il problema è che questi difetti non sono evidenti perché questa fonte di energia non è abbastanza forte. Per chiarire ulteriormente il meccanismo di bagnabilità reversibile, possiamo utilizzare diverse fonti di energia per indagare sulla transizione, come la diffrazione di raggi X e neutroni." Hanno anche in programma di studiare il cambiamento di conduttività e le proprietà di trasporto sotto irraggiamento UV.
"Un film di grafene ad alta conduttività elettrica con elevata idrofilia è sempre desiderabile, "Ao racconta Phys.org . "Però, queste due proprietà normalmente si oppongono l'una all'altra. Quando si lavora con dispositivi a base di grafene, esplorare la variazione della conduttività elettrica del grafene in tali processi può aiutare a controllare e bilanciare queste due proprietà".
Altre aree che potrebbero trarre beneficio dal loro studio, Ao conclude, includono sensori e generazione e stoccaggio di idrogeno.
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