کاهش  اکسید گرافن (GO) به همراه خواص

کاهش شیمیایی اکسید گرافن (GO)

درحالی‌که فرآیندهای لایه‌برداری یک گرافن بسیار خالص تک-دامنه با خواص مکانیکی و الکتریکی تقریباً منحصربه‌فرد را تولید می‌کند، این یک نقطه‌ضعف بزرگ است. به‌این‌ترتیب، لایه‌برداری باعث می‌شود که ورقه‌های گرافن به‌طور تصادفی در یک بستر پراکنده شوند. هر ورقه ازلحاظ اندازه فقط در حد میکرون است و بسیاری از بستر به‌صورت پوشیده نشده، باقی‌مانده است. برای بسیاری از کاربردهای گرافن (ازجمله الکترودهای هدایت شفاف برای یک سلول خورشیدی زیستی)، پوشش مداوم گرافن موردنیاز است. برای تولید فیلم‌های گرافن پیوسته، از لایه‌برداری نمی‌توان استفاده نمود و به‌جای آن از روش‌های شیمایی برای رشد گرافن از اتم‌های کربن در شکل دیگر، موردنیاز است. تکنیک اکسید گرافن کاهش یافته، واقعاً نقطه تلاقی لایه‌برداری و روش‌های رشد شیمیایی است. ورقه گرافنی لایه‌برداری شده، اکسیدشده است که باعث می‌شود آن‌ها در محلول آبی به حالت سوسپانسیون (معلق) درآیند.

روش‌های متعددی از کاهش شیمیایی اکسید گرافیت / گرافن در سال‌های اخیر به وجود آمده است. باوجود مجموعه گسترده‌ای از استراتژی‌های کاهش شیمیایی، تعدادی از عوامل کاهش‌دهنده شناخته‌شده تا به امروز ممکن است با مکانیسم‌ها پشتیبانی نشود. این عوامل کاهشی به‌طور گسترده‌ای در شیمی سنتزی برای حذف / کاهش گروه‌های عاملی اکسیژن استفاده نمی‌شود. درواقع، اکثر این‌ها معمولاً دارای خواص آنتی‌اکسیدان غیر-ویژه یا مهار اکسیژن هستند.

اولین سنتز گزارش‌شده از GO را می‌توان به سال ۱۸۵۹ برمی‌گردد، زمانی که بنجامین سی برودی^[۱]، یک شیمیدان از دانشگاه آکسفورد^[۲]، گرافیت را با مخلوطی از اسید نیتریک^[۳] و کلرات پتاسیم^[۴] تحت عمل‌آوری قرارداد [۸۵]. فرمول شیمیایی محصول سنتز شده C_۱۱H_۴O_۵ بود…بعدها شیمیدان ویلیام اس. هامرز^[۵] و ریچارد ای. آفمتن^[۶] روش جدیدی را برای سنتز GO که کمتر از ۲ ساعت طول می‌کشد، نسبت به مدت‌زمان ۳ روز که سنتز توسط روش برودی انجام می‌گرفت، [۵۱] ابداع کردند. روش آن‌ها شامل عمل‌آوری ورقه‌های گرافیت پودر شده با مخلوطی از اسیدسولفوریک^[۷] و نیترات سدیم^[۸] است که در دمای واکنش ۰ درجه سانتی‌گراد در یک حمام یخ نگهداری می‌شود. سپس پتاسیم پرمنگنات^[۹] درحالی‌که مخلوط در دمای زیر ۲۰ درجه نگهداری می‌شود، اضافه می‌شود. روش هامر یک روش سریع‌تر و ایمن‌تر از روش برودی است و GO سنتز شده دارای درجه بالاتر اکسیداسیون است. همچنین توسط ژئونگ^[۱۰] و همکاران [۸۶] گزارش کرده‌اند که واکنش اکسیداسیون برای ساختن GO حداقل ۶۰ دقیقه در محیط اسیدی برای تکمیل شدن واکنش، زمان نیاز دارد. اتم‌های اکسیژن عمدتاً بر روی GO به‌صورت گروه‌های هیدروکسیل، اپوکسی و کربونیل موجود هستند [۳۵، ۸۷].

با توجه به گروه‌های عاملی اکسیژن، گرافیت با ساختار-لایه‌ای به‌صورت میان لایه‌ای است و پس از روش هامر [۸۸] آب‌گریز می‌شود. فاصله بین-لایه‌ای GO تقریباً ۱ نانومتر است، درحالی‌که همین فاصله در گرافیت آن ۳۴/۰ نانومتر است؛ بنابراین، ورق‌های کردن گرافن به ورقه تک-لایه اتمی با فرآیند پراکندگی کلوئیدی ساده‌تر هست [۳، ۳۴].

چندین اصلاح در روش هامر اخیراً به‌منظور بهبود کیفیت GO انجام‌شده است. در GO سنتز شده با استفاده از روش هامر، مقدار زیادی از رسوبات GO را تشکیل می‌دهد که از ورقه‌های گرافیت-چندلایه تشکیل‌شده‌اند که در لایه‌های بیرونی اکسیدشده‌اند، اما در لایه‌های داخلی طبیعی‌اند و یا مقدار کمی اکسیدشده‌اند [۸۹]. اتم‌های کربن در GO دارای هیبریداسیون sp^۳ می‌باشند و ازاین‌رو هدایت الکتریکی بالای گرافن را از دست می‌دهند. هدایت الکتریکی می‌تواند توسط کاهش GO به گرافن اکسید کاهش یافته^[۱۱] (rGO) بازگردانده شود، بااین‌حال میزان هدایت مشابه با هدایت گرافن نیست. این به علت وجود نقص‌ها و جاهای خالی است که نمی‌توانند به‌طور کامل در طی کاهش، حذف شود [۹۰، ۹۱]. GO را می‌توان به‌عنوان یک پیش ماده برای سنتز گرافن توسط هر فرآیند کاهش شیمیایی یا حرارتی در نظر گرفت.

کاهش گرافن اکسید (GO)

برای کاهش GO با استفاده از روش‌های شیمیایی، یکی از رایج‌ترین عامل کاهش‌دهنده هیدرازین مونوهیدرات^[۱۲] (N_۲H_۴) [۹۲] است. یکی از دلایل اصلی محبوبیت آن بی‌اثر بودن آن نسبت به آب است که باعث می‌شود در حضور GO، به‌عنوان یک حلال پخش‌کننده، باشد. بااین‌وجود، پس از مطالعات دقیق محصولات فرآیند کاهش، همراه با شناخت مکانیسم‌های واکنش هیدرازین با سایر گونه‌های آلی، پیشنهاد می‌شود که کاهش GO مشابه کاهش آلکن ها^[۱۳] با هیدرازین باشد [۹۳] که همچنین برخی از گروه‌های عاملی را دست‌نخورده نگه می‌دارد. این گروه‌های عاملی، معمولاً آن‌هایی که دارای پیوند C-N هستند، نمی‌توانند به‌راحتی توسط یک واکنش تک-مرحله‌ای حذف شوند [۹۴]. این تکنیک شامل اکسیداسیون اولیه گرافیت به گرافیت اکسید می‌شود و به دنبال آن ورق‌های شدن مکانیکی / شیمیایی یا اکسایش حرارتی گرافیت اکسید به ورقه‌های گرافن اکسید (GO) و پس کاهش آن‌ها به گرافن، صورت می‌پذیرد.

سدیم بور هیدرید^[۱۴] (NaBH_۴) همچنین می‌تواند به‌عنوان یک عامل کاهش‌دهنده شیمیایی برای گرافن اکسید مورداستفاده قرار گیرد. این یک نمک حاوی یک آنیون چهاروجهی BH_۴ است که به‌راحتی در حلال‌های آبی و الکلی حل می‌شود.

در حضور یک عامل الکتروفیل (الکترون‌دوست) مانند یک کربونیل، آنیون بور هیدرید به‌راحتی واکنش انتقال هیدرید را انجام می‌دهد که منجر به ایجاد یک اکسی آنیون و یک مولکول BH_۳ با کمبود الکترون می‌شود. سپس پایداری مولکول BH_۳ با اکسی آنیون، بور هیدرید را به‌عنوان عامل انتقال هیدروژن تثبیت می‌کند. این مورد تا زمانی که تمام پیوندهای B-H مصرف شود، ایدئال است. بااین‌حال، واکنش به‌ندرت در قسمت عملی دارای بازده مناسب است. توانایی BH_۴ برای کاهش گروه‌های کربونیل نیز توسط نوع کربونیل ها محدود می‌شود. ترکیبات ساده کربونیل مانند آلدهید و کتون با گروه NaBH_۴ قابل کاهش به گروه‌های الکلی می‌شوند، درحالی‌که ترکیبات کربونیل کمتر واکنش‌پذیر مانند استر و آمید قابل احیا نیست. استفاده از NaBH_۴ به‌عنوان یک عامل کاهش‌دهنده از GO برای اولین بار توسط کامات^[۱۵] و همکارانش برای رسیدن به جذب فیزیکی نانو ذرات طلا بر روی یک ماده گرافن-اکتا دسیل آمین^[۱۶] گزارش شد.

در همین زمان، سی^[۱۷] و سامولسکی^[۱۸]، GO را با استفاده از NaBH_۴ در یک سنتز سه مرحله‌ای برای کاهش کامل در تلاش برای به دست آوردن گرافن سولفون شده که در حلال‌های آبی و آلی به‌خوبی پراکنده می‌شود، کاهش داند [۴۷]. یک روش کاهش مشابه با NaBH_۴ نیز توسط آژایان^[۱۹] و همکارانش در تحقیقات مربوط به کاهش کامل GO [99] ارائه شد. پس‌ازآن، لی^[۲۰] و همکارانش مطالعه‌ای راجع به تأثیر غلظت NaBH_۴ روی خواص الکتریکی گرافن انجام دادند [۱۰۰]. نسبت کربن/اکسیژن ۸/۶ روی گرافن تهیه‌شده توسط غوطه‌ور کردن نوار GO به محلول ۱۵۰ میلی مولار NaBH_۴، اندازه‌گیری شد. مقاومت الکتریکی گرافن اکسید کاهش یافته توسط NaBH_۴ پایین‌تر از گرافن اکسید کاهش یافته با هیدرازین است که احتمالاً به دلیل عدم وجود هترواتم ها هست.

با توجه به خواص سمی و انفجاری برخی از کاهش‌دهنده‌های شیمیایی که قبلاً موردبررسی قرار گرفتند، بسیاری از کاهش‌دهنده‌های سازگار با محیط‌زیست و بسیار کارآمد برای کاهش GO [97]، ازجمله ویتامین C [101، ۱۰۲]، اسیدآمینه [۱۰۳]، شکر کاهنده [۱۰۴]، الکل‌ها [۱۰۵]، هیدرو یدیک اسید^[۲۱] [۱۰۶]، پودر فلزی کاهنده [۱۰۷، ۱۰۸]، چای [۱۰۹] و غیره، توسعه‌یافته‌اند.

 

کاهش حرارتی GO

کاهش حرارتی و کاهش هیدروترمال گرافیت اکسید نیز توسط محققان مختلف مورداستفاده قرار می‌گیرد، زیرا این روش یک روش غیر شیمیایی برای به دست آوردن گرافیت اکسید کاهش یافته را ممکن می‌سازد که حاوی بقایای کاهش‌دهنده‌های سمی که معمولاً در رویکرد شیمیایی یافت می‌شود، نیست.

در مراحل اولیه در تحقیقات گرافن، حرارت سریع (بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد در دقیقه) به‌طورمعمول برای ورقه کردن گرافیت اکسید به گرافن [۴۸، ۱۶۴-۱۶۶] استفاده می‌شود.

مکانیسم ورقه کردن عمدتاً گسترش ناگهانی گازهای CO یا CO_۲ در بین فضاهای خالی بین ورقه‌های گرافن طی دوره گرم شدن سریع، هست افزایش دمای سریع باعث می‌شود که گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن متصل به صفحات کربن به گازهایی که باعث ایجاد فشار زیادی بین لایه‌های انباشته‌شده می‌شوند، تجزیه شوند. بر اساس معادله حالت، فشار ۴۰ مگا پاسگال در ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود، درحالی‌که ۱۳۰ مگا پاسگال در ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد تولید می‌شود [۴۸]. ورق‌های لایه‌لایه شده را می‌توان به‌طور مستقیم به نام گرافن (گرافن مشتق شده به روش شیمیایی) به‌جای GO نام‌گذاری کرد، به این معنی که فرایند گرم شدن سریع نه‌تنها گرافیت اکسید را لایه‌لایه می‌کند، بلکه ورق‌های عامل دار گرافن را با تجزیه گروه‌های حاوی اکسیژن در دمای بالا کاهش می‌دهد. این اثر دوگانه، گسترش گرمایی از گرافیت اکسید را یک استراتژی خوب برای تولید گرافن کمی بالک می‌کند [۱۶۷]. بااین‌حال، این روش تنها برای تولید صفحات گرافن کوچک و چین‌دار است [۴۸]. این عمدتاً به این دلیل است که تجزیه گروه‌های حاوی اکسیژن همچنین اتم‌های کربن را از یک صفحه کربن حذف می‌کند که ورق‌های گرافن را به قطعات کوچک تقسیم می‌کند و منجر به تخریب صفحه کربن می‌شود.

اثر قابل‌توجهی از ورقه کردن حرارتی، آسیب ساختاری ورق‌های گرافن ناشی از انتشار دی‌اکسید کربن است [۱۶۸]. تقریباً ۳۰ درصد از جرم گرافیت اکسید در طی فرایند ورقه شدن از دست می‌رود و درنهایت نقص شبکه در سراسر ورق را رقم می‌زد [۴۸]. راه جایگزین دیگر این است که گرافیت اکسید در فاز مایع لایه‌برداری شود که امکان لایه‌برداری صفحات گرافن با ابعاد جانبی بزرگ را فراهم می‌کند [۱۶۹]. کاهش پس از تشکیل مواد ماکروسکوپی، به‌عنوان‌مثال فیلم‌ها یا پودرها، با تاب‌کاری (آنلینگ) در محیط‌های بی‌اثر و یا کاهش‌دهنده، انجام می‌پذیرد.

در این استراتژی، درجه حرارت گرم شدن به‌طور قابل‌توجهی بر کاهش GO [48،۱۷۰-۱۷۲] تأثیر می‌گذارد. شینیپ^[۲۲] و همکاران [۴۸] ​​دریافتند که اگر دما کمتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد، نسبت کربن/اکسیژن بیشتر از ۷ نیست، درحالی‌که اگر دمای آن به ۷۵۰ درجه سانتی‌گراد برسد، نسبت کربن/اکسیژن می‌تواند بالاتر از ۱۳ باشد. وانگ^[۲۳] و همکاران [۱۷۱] ورق‌های نازک GO را در دمای مختلف تاب‌کاری کردند و نشان دادند که هدایت الکتریکی حجمی از فیلم GO کاهش یافته به‌دست‌آمده در ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد تنها ۵۰ زیمنس بر سانتیمتر است درحالی‌که در دمای ۷۰۰ و ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌تواند به ترتیب ۱۰۰ زیمنس بر سانتیمتر و ۵۵۰ زیمنس بر سانتیمتر باشد. وو^[۲۴] و همکاران [۱۷۲]. از روش تخلیه-قوس برای لایه‌برداری گرافیت اکسید به گرافن استفاده نمودند، استفاده از تخلیه-قوس باید در مدت کوتاهی دمای بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد را فراهم کند. بر اساس نتایج فوق، کاهش GO با تاب‌کاری در درجه حرارت بالا، بسیار مؤثر است؛ اما ایراد تاب‌کاری حرارتی نیز واضح است. اول، درجه حرارت بالا به معنای مصرف انرژی بزرگ‌تر و شرایط واکنشی بحرانی است. دوم، اگر کاهش به یک ساختار مجتمع GO انجام شود، به‌عنوان‌مثال یک فیلم GO، حرارت باید به‌اندازه کافی آهسته باشد تا از گسترش ساختار جلوگیری شود، در غیر این صورت، حرارت سریع ممکن است ساختار را درست مانند لایه‌برداری از گرافن اکسید نماید؛ اما گرمادهی آهسته کاهش حرارتی GO را فرآیند زمان‌بر می‌نماید. درنهایت و مهم‌تر از همه، برخی از کاربردها نیاز به GO مجتمع شده بر روی بسترها، به‌عنوان‌مثال فیلم‌های کربن نازک، اما درجه حرارت بالا بدین معناست که این روش کاهش نمی‌تواند برای فیلم‌های GO بر روی بسترهای با نقطه ذوب پایین مانند شیشه و پلیمر استفاده شود.

خواص سطحی

گرافن تک-لایه ازلحاظ تئوری پیش‌بینی‌شده است که منطقه سطحی بالایی در حدود ۲۶۳۰ مترمربع بر گرم را داشته باشد که از نمودار گرافیت (حدود ۱۰ مترمربع بر گرم) جلوتر است و دو برابر بزرگ‌تر از نانولوله کربن تک دیواره^[۲۵] (SWCNTs) (حدود ۱۳۱۵ مترمربع بر گرم) [۱، ۸] است. مناطق سطحی نمونه‌های گرافن چندلایه با روش BET^[۲۶] اندازه‌گیری شده و در محدوده ۱۵۵۰-۲۷۰ مترمربع بر گرم بود. سطح بزرگ سطح یک ویژگی ضروری از مواد الکترود است، به‌ویژه در دستگاه‌های حسگر، تولید و ذخیره انرژی است. به‌عنوان‌مثال، منطقه سطحی بالای از ورق‌های گرافنی هادی الکتریکی می‌تواند موجب انتقال الکترون سریع و تراکم بالا مولکول‌های آنالایزر متصل شده، گردد. این به‌نوبه خود می‌تواند حساسیت بالا و تفکیک دستگاه را تسهیل کند. علاوه بر این، منطقه سطحی بالا یک پلت فرم عالی برای عامل دار کردن شیمیایی است.

خواص الکترونیکی

بلورهای گرافن جداشده دارای ویژگی‌های الکترونیکی استثنایی هستند. هدایت الکتریکی گرافن حدود ۶۴ میلی زیمنس بر سانتی‌متر محاسبه‌شده است که تقریباً ۶۰ برابر بیشتر از نانولوله‌های کربن تک دیواره [۱۹۷] است. هدایت آن در طیف گسترده‌ای از درجه حرارت و حتی در هلیوم مایع، پایدار باقی می‌ماند، درجه حرارتی که برای قابلیت اطمینان در بسیاری از کاربردها، ضروری است [۸].

یکی از جنبه‌های جالب گرافن، ماهیت بسیار غیرعادی آن از حامل‌های بار است که به‌عنوان ذرات نسبیت بدون بار (فریمون های دیراک^[۲۷]) رفتار می‌کنند. رفتار فریمونی دیراک در مقایسه با الکترون‌ها زمانی که در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، (به‌عنوان‌مثال اثر کوانتومی هال^[۲۸] عددی غیرطبیعی (QHE)) بسیار غیرمعمول است [۹، ۱۹۸]. این اثر حتی در دمای اتاق مشاهده گردید [۱۰]. ساختار باند گرافن تک لایه دو باند متقاطع را در دونقطه در معادل K و K’ در فضای متقاطع را نشان می‌دهد. در نزدیکی این نقاط، پراکندگی الکتریکی شبیه به الکترون‌های نسبیتی دیراک است. K و ‘ K به‌عنوان نقاط دیراک به کار می‌روند، درحالی‌که نقاط والانش و هدایت، دژنره (چندحالتی) می‌شوند و گرافن را یک‌نیمه‌رسانای گاف صفر می‌نامند (شکل ۱).

شکل ۱

آن یک اثر میدان الکتریکی دوقطبی چشمگیر در دمای اتاق با غلظت حامل‌های بار تا ۱۰۱۳ cm^-۲ و تحرک حدود ۱۰۰۰۰ cm^۲V^-۱s^–۱ در هنگام استفاده از ولتاژ گیت (مترجم: ولتاژ دو سر سیم‌پیچ گیت در تقویت‌کننده‌ی مغناطیسی)، نشان می‌دهد [۳۹].

خواص نوری

خواص نوری منحصربه‌فرد گرافن یک شفافیت غیرمنتظره بالایی برای یک تک لایه اتمی معلق در خلأ، با جذب نور سفید اندازه‌گیری ۳/۲ درصد، انعکاسی ناچیز (کمتر از ۱/۰ درصد)، تولید می‌کند. جذب به‌صورت خطی با تعداد لایه‌ها از ۱ تا ۵ (شکل ۲) [۲۰۱، ۲۰۲] افزایش می‌یابد.

شکل ۲: نمایی از یک بلور باضخامت یک اتم. الف: تصویر از یک دیافراگم ۵۰ میکرومتر که بخشی از آن توسط گرافن که دولایه است پوشیده شده است. پروفایل اسکن خطی نشان می‌دهد که شدت نور سفید در امتداد خط زرد منقل شده است. ب: طیف انتقال گرافن تک لایه (حلقه‌های باز). خط قرمز، عبور مورد انتظار T = (1 + 0.5πα) -۲ برای فریمونیهای دیراک ابعادی است، درحالی‌که منحنی سبز، پیچش‌های غیرخطی و مثلثی طیف الکتریکی گرافن است. عبور (Inset) نور سفید به‌عنوان تابعی از تعداد لایه‌های گرافن (مربع) است.

علاوه بر این، انتقال نوری را می‌توان با تغییر انرژی فرمی از طریق جابجایی الکتریکی تغییر داد [۲۰۳]. یکی دیگر از ویژگی‌های گرافن، فوتولومینسانس^[۲۹] (PL) آن است. با ایجاد یک گاف باند مناسب می‌توان لومینسانس گرافن را ایجاد کرد. دو مسیر پیشنهادشده است. اولین روش شامل برش گرافن به نقاط کوانتومی و نانو نوارها است.

دومین روش، یک روش فیزیکی و شیمیایی با گازهای مختلف است تا اتصال شبکه الکترون π را کاهش دهد. [۴، ۲۰۴]. به‌عنوان‌مثال نشان داده‌شده است که PL می‌تواند توسط واکنش با اکسیژن پلاسما از گرافن تک-لایه بر روی سیلیکون پوشش داده‌شده با ۱۰۰ نانومتر SiO_۲ [۲۰۵]، القا شود. این باعث می‌شود که ساختارهای ترکیبی توسط اچ کردن فقط لایه‌ی بالا ایجاد شود، درحالی‌که لایه زیرین را بدون تأثیر نگه می‌دارد. فوتولومینسانس گسترده از GO جامد و سوسپانسیون GO مایع نیز مشاهده‌شده است. کاهش شیمیایی پیش ماده GO به rGO سبب کاهش PL می‌شود، درحالی‌که اکسیداسیون PL باعث ایجاد اختلال در شبکه π و باز شدن یک گاف مستقیم الکترونیکی می‌شود [۲۰۶].

ترکیبات فلورسنت آلی برای توسعه دستگاه‌های اپتوالکترونیک ارزان‌قیمت بسیار مهم هستند [۲۰۷]. به‌خصوص فلورسانس آبی‌رنگ از مولکول‌های آروماتیک^[۳۰] یا الفین^[۳۱] و مشتقات آن‌ها برای کاربردهای صفحه‌نمایش و نورپردازی اهمیت دارد [۲۰۸]. PL آبی برای فیلم‌های نازک GO که از سوسپانسیون‌های کاملاً لایه‌برداری شده تهیه‌شده است مشاهده شد [۲۰۹]. خصوصیات PL و وابستگی آن به کاهش GO ناشی از ترکیب دوباره جفت‌های الکترون-حفره مستقر در کلاسترهای کوچک کربن با هیبریداسیون sp^۲ که در داخل ماتریس GO با هیبریداسیون sp^۳، [۲۰۹] ایجاد می‌شود.

خواص الکتریکی استثنایی در ارتباط با خواص اپتیک، منافع زیادی در دستگاه‌های جدید فوتونی و الکترونیک نوری [۲۱۰-۲۱۲] ایجاد کرده است. ازجمله کاربرد در شناساگرهای نوری، صفحه‌نمایش لمسی، دستگاه‌های نشر کننده (گسیل) نوری، فتوولتائیک، هادی‌های شفاف، دستگاه‌های ترا هرتز و محدودکننده‌های نوری، پیشنهادشده است.

اخیراً توجه زیادی به استفاده از مواد ترکیبی مبتنی بر گرافن با خواص نیمه‌هادی درزمینه های فتو-الکتروشیمیایی مانند سلول‌های خورشیدی الکتروشیمیایی، تخریب فوتوکاتالیستی آلاینده‌های آلی، شکافت آب^[۳۲] برای به دست آوردن هیدروژن، تبدیل فوتوکاتالیستی سوخت‌ها و غیره، منعطف شده است. انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت در نیمه‌هادی‌ها پس از تحریک توسط یک فوتون (در باند گپ E ≥ Eg – Eg) یک جفت الکترون-حفره (یک الکترون در باند هدایت و یک حفره مثبت در باند ظرفیت)، تولید می‌کند [۴۱، ۲۲۴]. عملکرد فتو الکتروشیمیایی و جذب نور مرئی توسط مواد نیمه‌هادی توسط دوپینگ‌های مختلف فلز-یون، دوپینگ آنیون، اضافه کردن رباینده حفره (اهداکنندگان الکترون)، ایجاد جاهای خالی از اکسیژن، اضافه کردن کاتالیزور همراه، بارگذاری ذرات فلز نجیب، حساسیت رنگ و تشکیل نیمه‌هادی‌های کامپوزیت، افزایش می‌یابد. جذب عالی، شفافیت، هدایت‌پذیری، غیر سمی بودن، قابلیت‌های متنوع و قابلیت کنترل گرافن، باعث ایجاد عملکرد فوق‌العاده آن توسط تولید هیبرید با نیمه‌هادی‌ها می‌شود.

باند گپ و پتانسیل باند نیمه‌هادی‌ها برای نوع خاصی از فرآیند فوتوکاتالیستی مهم است، همان‌طور که در شکل ۱.۶ نشان داده‌شده است. گرافن به‌عنوان نامزد برجسته برای مواد فتوکاتالیتی هیبریدی [۲۲۵] با ولتاژ کارکردی حدود ۴/۴- الکترون‌ولت محسوب می‌شود، درحالی‌که نیمه‌رسانای مهم موقعیت باند هدایت آن‌ها در حدود ۳.۵- الکترون‌ولت (با توجه به سطح خلأ، شکل ۱.۱۰) است. این به فرایند انتقال الکترون تولیدشده از باند هدایت نیمه‌هادی به سطح گرافن کمک می‌کند [۲۲۶].

1. Benjamin C. Brodie ↑

2. University of Oxford ↑

3. Nitric acid ↑

4. Potassium chlorate ↑

5. William S. Hummers ↑

6. Richard E. Offeman ↑

7. Sulphuric acid ↑

8. Sodium nitrate ↑

9. Potassium permanganate ↑

10. Jeong ↑

11. Reduced Graphene Oxide (rGO) ↑

12. Hydrazine monohydrate ↑

13. Alkenes ↑

14. Sodium borohydride ↑

15. Kamat ↑

16. Graphene-octadecylamine ↑

17. Si ↑

18. Samulski ↑

19. Ajayan ↑

20. Lee ↑

21. Hydroiodic acid ↑

22. Schniepp ↑

23. Wang ↑

24. Wu ↑

25. Single-Walled Carbon NanoTubeS (SWCNTs) ↑

26. Brunauer-Emmett-Teller (BET) ↑

27. Dirac fermions ↑

28. Quantum Hall effect ↑

29. PhotoLuminescence (PL) ↑

30. Aromatic ↑

31. Olefin ↑

32. Water splitting ↑