用于传感器和催化剂应用的多功能石墨烯垫

（Nanowerk Spotlight）石墨烯及其衍生物的研究兴趣近来出现了飞速增长，这是由于发现了一些非常显着的特性，这些特性在将大块石墨还原为碳原子（石墨烯）的单二维（2D）层时出现。这些特性包括高表面积，出色的导电性和机械强度。各种纳米颗粒已经附着在石墨烯上，以尝试在从传感器到燃料电池的许多领域中取得进步（例如，参见“光敏石墨烯-半导体复合材料”）。

碳载催化剂广泛用于许多应用中。例如，负载在散装碳骨架上的铂纳米粒子被用作燃料电池电极（例如：“纳米技术催化剂为商业上可行的氢燃料电池提供了前景”；最新进展为此使用了碳纳米管；参见“碳纳米管-DNA纳米技术”）用于改进的燃料电池催化剂”）。明显的挑战是要具有大面积的碳表面，以便催化剂颗粒可以分散而不会发生任何聚集。具有2D纳米结构的石墨烯提供了较大的表面积（理论上，石墨烯的表面积约为2600平方米/克）来固定催化剂颗粒。

先前的工作表明，基于悬浮的功能化石墨烯片（或氧化石墨烯）提供了一种方便的方法，以保持片状片材脱落并可用于离子或纳米粒子的嵌入。尽管使用石墨烯氧化物衬底可以实现单纳米颗粒系统，例如石墨烯上的金或石墨烯上的铂，但是研究人员发现，与纯石墨烯相比，氧化石墨烯的导电性显着降低。但是他们还发现，部分减少其官能团可以缓解此问题。然而，到目前为止，只有很少的研究检查过使用还原氧化石墨烯（RGO）作为催化体系的底物。

在美国能源部基础能源科学办公室资助的新工作中，巴黎圣母院的科学家现已成功地将两种不同类型的纳米颗粒（银和二氧化钛）分散在不同位置的还原氧化石墨烯上没有任何聚集。

Prashant V. Kamat告诉Nanowerk： “使用还原型氧化石墨烯作为二维载体，我们已经成功地选择性锚定了半导体和金属纳米颗粒。” “二氧化钛中的光生电子转移到石墨烯上，这些电子跨过石墨烯片传输以还原银离子。银纳米粒子的生长证实了石墨烯片作为半导体和锚定在石墨烯片上的金属纳米粒子之间的电子交流平台的能力。 。”

二氧化钛（较小尺寸）和银（较大和深色）颗粒沉积在一张还原的氧化石墨板上的TEM图像（图片：巴黎圣母大学Kamat博士）

通过这项新颖的工作，化学与生物化学教授卡马特（Kamat）及其团队展示了一种相对简单，光驱动且可溶液处理的工艺，该工艺可形成石墨烯系统，其中半导体和金属纳米颗粒均固定在石墨烯上的不同位置片。两种类型的纳米颗粒的结合提供了更大的功能灵活性。

这项工作还证明了石墨烯具有存储和穿梭电子的能力–石墨烯片通过使电子穿梭在碳平面上而促进了不同纳米颗粒之间的直接通信。Kamat指出，为了引入额外的选择性，不难沉积其他催化剂纳米颗粒。

研究结果表明，石墨烯有可能成为许多催化和传感过程的理想底物。

研究人员已在2010年1月7日的《纳米快报》在线版（“将半导体和金属纳米颗粒固定在二维催化剂垫上，用还原的氧化石墨烯存储和关闭电子”中）报告了他们的发现。

Kamat解释说：“在单独的位置将两个或多个催化剂颗粒结合到单独的石墨烯或还原的氧化石墨烯片上可提供更大的多功能性，以进行选择性催化或传感过程。“我们说明的一个这样的过程是水分解催化剂系统，其中光催化剂（Cat1）产生氧气，金属催化剂（Cat 2）产生氢气。另一个领域是开发具有更高灵敏度和选择性的下一代传感器。”

Kamat指出，开发基于石墨烯的多功能催化剂垫是一个相对较新的概念，但它为开发传感器和催化剂系统提供了独特的机会：“我们目前的重点是将其用于水分解催化剂组件中，其中还原和氧化可以在两个不同的地点进行，此外，我们正在探索堆叠的石墨烯/金属氧化物板，以开发用于太阳能电池和电池的新电极材料，这项首次研究可以鼓励未来的“石墨设计师”开发新的量身定制的纳米技术平台。 ”

信息来源:Nanowerk