(Phys.org) -- Grafeen heeft op zichzelf veel veelbelovende toepassingen, maar door het tweedimensionale materiaal te koppelen aan het halfgeleidertitaandioxide (TiO ₂ ) breidt zijn mogelijkheden nog verder uit. Een team van chemici aan de Universiteit van Notre Dame in Notre Dame, Indiana, heeft aangetoond dat grafeenoxide (GO)-TiO ₂ films, wanneer verlicht, ervoor zorgen dat elektronen van de ene kant van de film naar de andere springen. Bij het toevoegen van zilverionen aan de afbeelding, dit elektronenhoppen kan films maken met een halfgeleider aan de ene kant van de GO en metaal aan de andere. De resulterende halfgeleider-grafeen-metaal (SGM) films zouden kunnen dienen als zeer gevoelige chemische sensoren.

De onderzoekers, geleid door Prashant Kamat van het Chemistry &Biochemistry and Radiation Laboratory aan de Universiteit van Notre Dame, hebben hun studie over de nieuwe op grafeen gebaseerde films gepubliceerd in een recent nummer van The Journal of Physical Chemistry Letters . Het werk werd ondersteund door het Office of Basic Energy Sciences, Ministerie van Energie.

De studie bouwt voort op eerder onderzoek dat heeft aangetoond dat GO kan functioneren als een elektronenshuttle vanwege het vermogen om elektronen over het oppervlak te transporteren, met mogelijke toepassingen in batterijen, fotovoltaïsche, en katalyse.

Hier, de onderzoekers hebben aangetoond dat fotogenereerde elektronen uit TiO ₂ kan worden gevangen door GO en vervoerd door zijn sp ² netwerk (de "kippengaas"-structuur), loodrecht op zijn tweedimensionale vlak. Door alle elektronen aan één kant te hebben, de film biedt de mogelijkheid voor zijselectieve afzetting van zilveren nanodeeltjes, terwijl de halfgeleidende TiO ₂ nanodeeltjes blijven aan de andere kant.

"De geleidende eigenschappen van grafeenplaten met één tot enkele lagen die op verschillende substraten zijn afgezet, zijn goed bestudeerd, ” vertelde Kamat Phys.org . “Meestal vindt het transport van elektronen plaats binnen het 2D-vlak. Door de halfgeleider nanodeeltjes aan één kant te houden, we waren in staat om zilverionen te verminderen aan de andere kant van de grafeenoxidefilm. Dit proces is de directe demonstratie van elektronenhoppen in een chemisch geëxfolieerde grafeenoxidefilm."

Om de composietfilm te maken, de onderzoekers begonnen met het afzetten van enkellaags grafeenoxide op een TiO ₂ film met behulp van elektroforetische afzetting. Bij deze methode, ze plakten de TiO ₂ film op een elektrode, en dompelde het vervolgens en een tweede elektrode onder in ethanol met GO-vellen. Onder een aangelegd elektrisch veld, de negatief geladen GO-vellen bewogen naar en bevestigden aan de TiO ₂ film op de positieve elektrode.

Om de metalen nanodeeltjes af te zetten, de onderzoekers plaatsten de TiO ₂ -GO films in ethanol met zilverionen. Onder UV-verlichting, de TiO ₂ fotogegenereerde elektronen, die vervolgens werden overgebracht naar de GO en naar de andere kant werden gependeld, waar ze gemakkelijk beschikbaar waren voor het reduceren van de zilverionen tot zilveren nanodeeltjes.

De onderzoekers ontdekten dat ze de grootte van de zilveren nanodeeltjes op de film konden regelen door de bestralingstijd te regelen, met langere bestralingstijden resulterend in grotere nanodeeltjes. Ze leggen uit dat het laden van veel kleine zilveren nanodeeltjes belangrijk is voor het maken van zeer actieve sensoren en katalysatoren.

Om zijn bruikbaarheid als sensor te testen, de onderzoekers plaatsten een SGM-film in een oplossing met een porfyrine-doelwit in nanomolaire concentraties. Ze vonden dat, wanneer de oppervlakteplasmonresonantie van de zilveren nanodeeltjes interageert met het porfyrine, het versterkt het doel Raman-signaal, wat wijst op de aanwezigheid van porfyrine.

De onderzoekers voorspellen dat de grafeenlaag ook moet interageren met de doelmoleculen, die het Raman-signaal verder zou moeten versterken en een nog hogere gevoeligheid van verschillende doelmoleculen bij zeer lage concentraties mogelijk zou maken. Dit detectievermogen heeft een breed scala aan toepassingen.

“Er zijn veel verontreinigingen in lucht en drinkwater die moeten worden gedetecteerd in zeer lage concentraties, ' zei Kamat. “SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) is een nuttige techniek die gebruik maakt van kleine zilveren nanodeeltjes om de gevoeligheidslimiet van detectie van chemicaliën te verhogen. De halfgeleider-grafeen-metaalfilm die in de huidige studie is bereid, heeft twee duidelijke voordelen:de grootte en belasting van de afzetting van metaaldeeltjes op de grafeenoxidefilm kan worden geregeld door verlichting van TiO ₂ . En ten tweede, de grafeenfilm maakt adsorptie van chemische verontreinigingen uit de oplossing mogelijk, waardoor een hogere lokale concentratie nabij het oppervlak van de metaaldeeltjes mogelijk wordt.

“Een andere mogelijke toepassing ligt op het gebied van fotokatalytische opwekking van zonnebrandstoffen. Bijvoorbeeld, met halfgeleider nanodeeltjes aan de ene kant van een grafeenplaat en een metaalkatalysator aan de andere kant, men kan een hybride assemblage maken die water selectief kan splitsen in zuurstof en waterstof.”

Zoals Kamat uitlegde, deze toepassingen zullen het toekomstige werk van de onderzoekers sturen.

“We werken momenteel aan de detectie van milieuverontreinigingen bij sub-nanomolaire concentraties, ' zei hij. "Zorgvuldige controle van de metaalafmetingen en -belasting zal de sleutel zijn om strips te optimaliseren voor het testen van de waterkwaliteit. We onderzoeken ook manieren om hybride assemblages te ontwerpen voor de fotokatalytische productie van zonnebrandstoffen.”

© 2012 Phys.Org