(Phys.org) -- Le graphène a de nombreuses applications prometteuses à lui seul, mais en associant le matériau bidimensionnel avec le dioxyde de titane semi-conducteur (TiO 2 ) étend encore plus ses capacités. Une équipe de chimistes de l'Université Notre Dame à Notre Dame, Indiana, a démontré que l'oxyde de graphène (GO)-TiO 2 cinéma, lorsqu'il est illuminé, faire sauter les électrons d'un côté à l'autre du film. Lors de l'ajout d'ions d'argent à l'image, ce saut d'électrons peut créer des films qui ont un semi-conducteur d'un côté du GO et du métal de l'autre. Les films semi-conducteurs-graphène-métal (SGM) résultants pourraient servir de capteurs chimiques très sensibles.

Les chercheurs, dirigé par Prashant Kamat au Laboratoire de chimie et biochimie et rayonnement de l'Université de Notre Dame, ont publié leur étude sur les nouveaux films à base de graphène dans un récent numéro de Le Journal des lettres de chimie physique . Le travail a été soutenu par le Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, Ministère de l'Énergie.

L'étude s'appuie sur des recherches antérieures qui ont montré que GO peut fonctionner comme une navette d'électrons en raison de sa capacité à transporter des électrons à travers sa surface, avec des applications potentielles dans les batteries, photovoltaïque, et catalyse.

Ici, les chercheurs ont montré que les électrons photogénérés à partir de TiO 2 peut être capturé par GO et transporté par son sp ² réseau (la structure en « fil de poule »), perpendiculaire à son plan à deux dimensions. En ayant tous les électrons d'un côté, le film offre la possibilité de déposer sélectivement des nanoparticules d'argent, tandis que le TiO semi-conducteur 2 les nanoparticules restent du côté opposé.

« Les propriétés conductrices des feuilles de graphène monocouches ou multicouches déposées sur divers substrats ont été bien étudiées, " a dit Kamat Phys.org . « Habituellement, le transport des électrons se produit dans le plan 2-D. En gardant les nanoparticules semi-conductrices d'un côté, nous avons pu effectuer une réduction des ions argent sur le côté opposé du film d'oxyde de graphène. Ce processus est la démonstration directe du saut d'électrons dans un film d'oxyde de graphène chimiquement exfolié.

Pour créer le film composite, les chercheurs ont commencé par déposer de l'oxyde de graphène monocouche sur un TiO 2 film par dépôt électrophorétique. Dans cette méthode, ils ont collé le TiO 2 film sur une électrode, puis immergé et une seconde électrode dans de l'éthanol contenant des feuilles GO. Sous un champ électrique appliqué, les feuilles GO chargées négativement se sont déplacées vers et attachées au TiO 2 film sur l'électrode positive.

Pour déposer les nanoparticules métalliques, les chercheurs ont placé le TiO 2 -Films GO dans de l'éthanol contenant des ions argent. Sous éclairage UV, le TiO 2 électrons photogénérés, qui ont ensuite été transférés au GO et transférés du côté opposé, où ils étaient facilement disponibles pour réduire les ions argent en nanoparticules d'argent.

Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient contrôler la taille des nanoparticules d'argent sur le film en contrôlant le temps d'irradiation, avec des temps d'irradiation plus longs résultant en des nanoparticules plus grosses. Ils expliquent qu'il est important de charger beaucoup de petites nanoparticules d'argent pour fabriquer des capteurs et des catalyseurs hautement actifs.

Pour tester son utilité en tant que capteur, les chercheurs ont placé un film SGM dans une solution contenant une cible de porphyrine à des concentrations nanomolaires. Ils ont trouvé que, lorsque la résonance plasmonique de surface des nanoparticules d'argent interagit avec la porphyrine, il amplifie le signal Raman cible, ce qui indique la présence de la porphyrine.

Les chercheurs prédisent que la couche de graphène devrait également interagir avec les molécules cibles, qui devrait amplifier davantage le signal Raman et permettre une sensibilité encore plus élevée de diverses molécules cibles à de très faibles concentrations. Cette capacité de détection a une grande variété d'applications.

« Il y a de nombreux contaminants dans l'air et l'eau potable qui doivent être détectés à de très faibles concentrations, ", a déclaré Kamat. « SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) est une technique utile qui utilise de petites nanoparticules d'argent pour augmenter la limite de sensibilité de détection des produits chimiques. Le film semi-conducteur-graphène-métal préparé dans la présente étude présente deux avantages distincts :la taille et le chargement du dépôt de particules métalliques sur le film d'oxyde de graphène peuvent être contrôlés par l'éclairage de TiO 2 . Et deuxieme, le film de graphène permet l'adsorption des contaminants chimiques de la solution, permettant ainsi une concentration locale plus élevée près de la surface des particules métalliques.

« Une autre application potentielle concerne le domaine de la génération photocatalytique de combustibles solaires. Par exemple, ayant des nanoparticules semi-conductrices d'un côté d'une feuille de graphène et un catalyseur métallique de l'autre côté, on peut créer un assemblage hybride qui peut séparer sélectivement l'eau en oxygène et hydrogène.

Comme Kamat l'a expliqué, ces applications guideront les futurs travaux des chercheurs.

« Nous travaillons actuellement à la détection de contaminants environnementaux à des concentrations sub-nanomolaires, " a-t-il dit. « Un contrôle minutieux de la taille et du chargement du métal sera la clé pour optimiser les bandes pour tester la qualité de l'eau. Nous explorons également des moyens de concevoir des assemblages hybrides pour la production photocatalytique de combustibles solaires. »

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