Bajo iluminación ultravioleta, Los electrones fotogenerados del dióxido de titanio son capturados por el óxido de grafeno. Los electrones "saltan" al otro lado del óxido de grafeno y pueden reducir los iones de plata, resultando en el crecimiento de nanopartículas de plata. Crédito de la imagen:Ian V. Lightcap, et al. © 2012 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) - El grafeno tiene muchas aplicaciones prometedoras por sí solo, pero emparejando el material bidimensional con el dióxido de titanio semiconductor (TiO 2 ) amplía aún más sus capacidades. Un equipo de químicos de la Universidad de Notre Dame en Notre Dame, Indiana, ha demostrado que el óxido de grafeno (GO) -TiO 2 Película (s, cuando está iluminado, hacen que los electrones salten de un lado de la película al otro. Al agregar iones de plata a la imagen, este salto de electrones puede crear películas que tienen un semiconductor en un lado del GO y metal en el otro. Las películas de semiconductor-grafeno-metal (SGM) resultantes podrían servir como sensores químicos altamente sensibles.
Los investigadores, dirigido por Prashant Kamat en el Laboratorio de Química y Bioquímica y Radiación de la Universidad de Notre Dame, han publicado su estudio sobre las nuevas películas basadas en grafeno en un número reciente de El diario de las letras de la química física . El trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, Departamento de Energía.
El estudio se basa en investigaciones anteriores que han demostrado que GO puede funcionar como un transbordador de electrones debido a su capacidad para transportar electrones a través de su superficie. con aplicaciones potenciales en baterías, fotovoltaica, y catálisis.
Aquí, los investigadores han demostrado que los electrones fotogenerados de TiO 2 puede ser capturado por GO y transportado a través de su sp 2 red (la estructura de "malla de gallinero"), perpendicular a su plano bidimensional. Al tener todos los electrones en un lado, la película ofrece la capacidad de deposición lateral selectiva de nanopartículas de plata, mientras que el TiO semiconductor 2 las nanopartículas permanecen en el lado opuesto.
“Las propiedades conductoras de las láminas de grafeno de una o pocas capas depositadas sobre varios sustratos se han estudiado bien, "Kamat dijo Phys.org . “Por lo general, el transporte de electrones ocurre dentro del plano 2-D. Manteniendo las nanopartículas semiconductoras en un lado, pudimos llevar a cabo la reducción de iones de plata en el lado opuesto de la película de óxido de grafeno. Este proceso es la demostración directa del salto de electrones en una película de óxido de grafeno exfoliada químicamente ".
Para crear la película compuesta, los investigadores comenzaron depositando óxido de grafeno de una sola capa en un TiO 2 película mediante deposición electroforética. En este método, pegaron el TiO 2 película en un electrodo, y luego lo sumergí junto con un segundo electrodo en etanol que contenía láminas de GO. Bajo un campo eléctrico aplicado, las hojas GO cargadas negativamente se movieron hacia y se unieron al TiO 2 película en el electrodo positivo.
Para depositar las nanopartículas metálicas, los investigadores colocaron el TiO 2 -Películas de GO en etanol que contienen iones de plata. Bajo iluminación ultravioleta, el TiO 2 electrones fotogenerados, que luego fueron transferidos al GO y trasladados al lado opuesto, donde estaban fácilmente disponibles para reducir los iones de plata en nanopartículas de plata.
Los investigadores descubrieron que podían controlar el tamaño de las nanopartículas de plata en la película controlando el tiempo de irradiación. con tiempos de irradiación más largos que resultan en nanopartículas más grandes. Explican que cargar muchas nanopartículas de plata pequeñas es importante para fabricar sensores y catalizadores altamente activos.
Para probar su utilidad como sensor, los investigadores colocaron una película de SGM en una solución que contenía un objetivo de porfirina en concentraciones nanomolares. Ellos encontraron que cuando la resonancia del plasmón superficial de las nanopartículas de plata interactúa con la porfirina, amplifica la señal Raman objetivo, lo que indica la presencia de la porfirina.
Los investigadores predicen que la capa de grafeno también debería interactuar con las moléculas objetivo, lo que debería amplificar aún más la señal Raman y permitir una sensibilidad aún mayor de varias moléculas diana a concentraciones muy bajas. Esta capacidad de detección tiene una amplia variedad de aplicaciones.
“Hay muchos contaminantes en el aire y el agua potable que deben detectarse en concentraciones muy bajas, —Dijo Kamat. “SERS (espectroscopía Raman mejorada de superficie) es una técnica útil que hace uso de pequeñas nanopartículas de plata para aumentar el límite de sensibilidad de detección de sustancias químicas. La película de semiconductor-grafeno-metal preparada en el presente estudio tiene dos ventajas distintas:Primero, El tamaño y la carga de la deposición de partículas metálicas en la película de óxido de grafeno se pueden controlar mediante la iluminación de TiO. 2 . Y segundo, la película de grafeno permite la adsorción de contaminantes químicos de la solución, permitiendo así una mayor concentración local cerca de la superficie de la partícula metálica.
“Otra aplicación potencial se encuentra en el área de generación fotocatalítica de combustibles solares. Por ejemplo, tener nanopartículas semiconductoras en un lado de una hoja de grafeno y un catalizador metálico en el otro lado, se puede crear un conjunto híbrido que pueda dividir selectivamente el agua en oxígeno e hidrógeno ".
Como explicó Kamat, estas aplicaciones guiarán el trabajo futuro de los investigadores.
“Actualmente estamos trabajando para la detección de contaminantes ambientales en concentraciones sub-nanomolares, ”Dijo. “El control cuidadoso del tamaño y la carga del metal será la clave para optimizar las tiras para probar la calidad del agua. También estamos explorando formas de diseñar conjuntos híbridos para la producción fotocatalítica de combustibles solares ”.
© 2012 Phys.Org
