Abonnez-vous à DeepL Pro pour traduire des fichiers plus volumineux. Visitez www.DeepL.com/propour en savoir plus. View Online / Page d'accueil du journal / Table des matières de ce numéro À l'échelle nanométri que L i e n s dynamiques d'articlesC< Citer ce document : Nanoscale, 2011, 3, 2142 www.rsc.org/nanoscale COMMUNICATION Réduction photocatalytique de l'oxyde de graphène en lumière visible induite par la résonance plasmonique de surface : Utilisation de nanoparticules d'Ag comme photocatalyseur plasmonique†. Tongshun Wu, Sen Liu, Yonglan Luo, Wenbo Lu, Lei Wang et Xuping Sun*. Reçu le 4 février 2011, accepté le 1er mars 2011. DOI : 10.1039/c1nr10128e La présente communication fait état de la première préparation d'oxyde de graphène réduit (rGO) par réduction photocatalytique du GO à la lumière visible induite par la résonance plasmonique de surface (SPR) avec l'utilisation de nanoparticules d'Ag (AgNPs) comme photocatalyseur plasmonique en présence d'un donneur d'électrons (ED). Caractérisé comme " le matériau le plus fin de notre univers ",1 le graphène (G), monocouche bidimensionnelle (2D) d'atomes de carbone disposés en réseau en nid d'abeille, a récemment fait l'objet d'une attention considérable en raison de ses propriétés uniques et de ses applications potentielles prometteuses.2 Jusqu'à présent, de nombreux efforts ont été déployés pour explorer de nouvelles méthodes de préparation afin d'obtenir des rendements élevés de graphène. En effet, ces dernières années ont vu le développement rapide d'une multitude de méthodes, notamment le dépôt chimique en phase vapeur, l'exfoliation micromécanique du graphite, la croissance épitaxiale sur une surface électriquement isolante, l'irradiation par micro-ondes et la synthèse solvothermique, qui ont été développées avec succès pour synthétiser du graphène pur.3 Parallèlement, la réduction de l'oxyde de graphène (GO) a été largement utilisée pour préparer le graphène, comme la réduction chimique du GO, la réduction thermique du GO (4 ), la réduction éclair du GO sous atmosphère N (2 ), l'écriture directe au laser sur des feuilles de GO (5 ), la réduction électrochimique du GO à l'aide d'une pointe de microscope à force atomique (6 ) et la réduction conductive du GO (7 ), etc. Cependant, toutes ces méthodes présentent des inconvénients intrinsèques, tels que l'utilisation de produits chimiques toxiques comme l'hydrazine, la nécessité de processus de chauffage rapides et de températures de réaction élevées, la nécessité d'un pH élevé, d'instruments spéciaux ou de sources de lumière à haute énergie coûteuses, etc. qui limitent leurs applications pratiques. La réduction photocatalytique du GO a récemment été prouvée comme étant une méthode efficace pour produire du G par Kamat et ses collègues. Comparée à la réduction chimique conventionnelle, la photoréduction du GO est " verte " et facile à contrôler via l'irradiation UV,8 mais elle nécessite des nanoparticules semi-conductrices à large bande interdite telles que TiO2 et ZnO, utilisées comme photocatalyseurs, pour absorber la lumière UV. Plus récemment, nous avons découvert que le GO peut être réduit en G via une stratégie de réduction autophotocatalytique, réalisée par UV State Key Lab of Electroanalytical Chemistry, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun, 130022, Chine. E-mail : [email protected] ; Fax : (+86) 431-85262065 ; Tel : (+86) 431-85262065 † Informations complémentaires électroniques (ESI) disponibles : Section expérimentale ; le spectre XPS Ag3d de Ag/rGO. Voir DOI : 10.1039/c1nr10128e Télé charg é par l'Univ ersité de l'ÎleduPrince Édoua rd le 12 nove mbre 2012 Publié le 30 mars 2011 sur http:// pubs.r sc.org | doi:10 .1039/ C1NR 10128 E irradiation de la dispersion de GO en présence d'un donneur d'électrons (ED), sans l'étape supplémentaire d'introduction d'un photocatalyseur.9 D'autre part, l'effet de résonance plasmonique de surface (SPR) des nanoparticules de métaux nobles sur la photocatalyse a récemment suscité un regain d'intérêt depuis que Awazu et al. ont proposé le concept de photocatalyse plasmonique.10 Dans leur étude, l'assistance de l'effet SPR dû aux nanoparticules d'Ag (AgNPs) en contact les unes avec les autres a considérablement stimulé le comportement photocatalytique du TiO2 . Il a été bien établi que ces nanocomposites métal noblesemiconducteur peuvent être utilisés comme photocatalyseurs très actifs en raison d'un effet synergique entre le matériau de base et l'effet SPR des métaux nobles.11 Dans cet article, nous rapportons pour la première fois la réduction photocatalytique à la lumière visible induite par SPR (VLPCR) de GO en utilisant des AgNPs comme photocatalyseur hautement efficace en présence d'un ED. Le schéma 1 illustre le processus d'induction de l'AgNP par SPR. VLPCR de GO en présence d'un ED. La feuille de GO est couverte de groupes principalement époxyde (1,2-ether) et OH sur ses plans basaux12 et peut donc être traitée comme un semiconducteur avec une large bande interdite.13 Lorsque les AgNP sont fixés sur le GO, un niveau de quasi-fermi se forme dans les composites AgNP- GO. Les AgNP absorbent intensément la 2142 | Nanoscale, 2011, 3, 2142-2144 lumière visible en raison de l'effet SPR,14 ce qui conduit à une forte augmentation des champs électro-magnétiques locaux près de la surface rugueuse de l'Ag par des " électrons " et des " trous " métalliques photoexcités. Par conséquent, ces électrons photoexcités sont injectés dans la bande de conduction du GO, ce qui entraîne la réduction du GO ainsi que l'oxydation de l'AgNP, et en même temps, l'ED (DMF dans notre système actuel) dans la solution épuise les trous dans l'AgNP pour le réduire à nouveau en Ag métallique.15 Schéma 1 Schéma illustrant le VLPCR de GO induit par AgNP SPR en présence d'un ED. Ce journal est ª The Royal Society of Chemistry 2011 Voir en ligne Télé charg é par l'Univ ersité de l'ÎleduPrince Édoua rd le 12 nove mbre 2012 Publié le 30 mars 2011 sur http:// pubs.r sc.org | doi:10 .1039/ C1NR 10128 E Fig. 1 Spectres UV-vis des dispersions de GO, AgNPs, et Ag-rGO. En médaillon : photographies des dispersions de GO, AgNPs, Ag-GO, et Ag-rGO. La figure 1 montre les spectres UV-vis des dispersions de GO, AgNPs, et Ag-rGO. Comme prévu, le GO présente une forte bande d'absorption à 230 nm correspondant aux transitions p / p* de la bande C]C aromatique.16 Les AgNPs présentent une forte bande d'absorption plasmatique à 445 nm. Après une irradiation de 40 minutes des composites Ag-GO sous la lumière visible, on voit clairement que le pic d'absorption se déplace progressivement vers le rouge de 232 à 264 nm et que l'absorbance dans toute la région spectrale augmente, ce qui indique que la conjugaison électronique dans le GO est restaurée lors de la photoréduction.16 L'encart de la figure 1 montre les photographies des dispersions de GO, Ag, Ag-GO et Ag-rGO. La dispersion de GO et d'Ag a une couleur jaune pâle et jaune, respectivement. Le mélange de ces deux dispersions conduit à une grande quantité d'agrégats ; cependant, l'irradiation de ce mélange à la lumière visible produit une dispersion noire qui peut être très stable pendant plusieurs mois sans l'observation de particules flottantes ou précipitées. Un autre pic à 425 nm est également observé, qui peut être attribué aux AgNPs utilisées. La température du mélange Ag-rGO après le processus VLPCR est inférieure à 35o C, ce qui suggère que la réduction n'est pas déclenchée par le chauffage. Notez qu'aucun changement n'a été observé pour la dispersion de GO dans le DMF si elle est irradiée par la lumière visible en l'absence d'AgNPs, ce qui indique que les AgNPs sont un photocatalyseur efficace. De même, le GO ne peut pas être réduit par l'irradiation par la lumière visible en présence d'AgNPs lorsque le DMF est absent. La figure 2 montre des images TEM typiques de (a) Ag-GO et (b) Ag-rGO composites. On peut voir que les AgNPs avec des diamètres allant de 20 à 40 nm sont exclusivement distribués sur le substrat GO. Il est très intéressant de constater que la taille des AgNPs diminue dramatiquement jusqu'à 5-10 nm après le processus d'irradiation. C'est pourquoi l'absorption SPR des AgNPs se décale en bleu de 445 nm à 425 nm après le VLPCR, comme le montre la Fig. 1. Le spectre XPS de l'Ag3d de l'Ag-rGO a été collecté afin d'identifier les états d'oxydation de l'Ag, comme le montre la Fig. S1.† Il a été rapporté que les pics de l'Ag3d métallique sont centrés à 373.9 et 367.9 eV et l'Ag(I) présente deux pics à 375.8 et 369.6 eV.17 Cependant, les pics de Ag3d dans notre étude apparaissent à 374.7 et 368.2 eV, suggérant qu'il y a à la fois de l'Ag métallique et de l'Ag(I) adsorbés sur le substrat rGO.18 Les observations cidessus peuvent être expliquées comme suit : Pendant le processus de VLPCR, l'AgNP est oxydé par le GO en Ag(I) qui est ensuite réduit en Ag(0) par l'ED. Comme il y a des groupes COOH au bord de la feuille GO-rGO,19 certaines espèces d'Ag(I) sont coordonnées par ces groupes -COOH et ne peuvent pas être réduites en Ag(0). Par conséquent, des AgNPs plus petites sont obtenues et l'Ag(I) coexiste avec l'Ag(0) après le processus VLPCR. Par rapport à l'Ag(0), la teneur en espèces d'Ag(I) qu'il contient est assez faible. C'est pourquoi les spectres XPS de l'Ag3d5/2 et de l'Ag3d3/2 ont montré un singulet dominant et nous n'avons pas observé l'absorption UV-vis de l'Ag(I). La réduction photocatalytique du GO a également été confirmée par les spectres Raman correspondants présentés sur la figure 3. Il est établi que le graphène présente deux pics principaux caractéristiques : la bande G à ~1575 cm-1 , provenant de la diffusion de premier ordre de l'onde E2g phonon des atomes de C sp2 ; la bande D à ~1350 cm-1 , provenant de un mode de respiration des photons de point k de symétrie A1g .20 Dans notre Dans la présente étude, le processus d'irradiation entraîne une augmentation de l'intensité relative des bandes D et G de 0,728 à 0,965, ce qui indique la formation de nouveaux domaines graphitiques.21 Pour confirmer davantage la réduction du GO après le processus VLPCR, la XPS a été utilisée pour identifier le changement d'état d'oxydation du C. La figure 4 montre les spectres XPS C1s du GO avant et après l'irradiation par la lumière visible. Le GO présente trois pics à 284,6, 286,7 et 288,4 eV (Fig. 4a). Le pic à 284,6 eV est caractéristique du carbone graphitique, et les deux autres pics sont attribués au C-O du groupe hydroxyle ou époxy et à la liaison C]O, respectivement. Après le processus VLPCR, les pics correspondant à C-O et C]O diminuent remarquablement et la teneur totale en groupes C-O et C]O passe de 58,2 % à 8,1 %, ce qui indique que les groupes contenant de l'oxygène sur le GO ont été efficacement éliminés après le processus VLPCR. Le pic à 285,9 eV peut être Voir en ligne Fig. 2 Images TEM typiques de (a) Ag-GO et (b) composites Ag-rGO. Cette revue est ª The Royal Society of Chemistry 2011 Fig. 3 Spectres Raman de l'Ag-GO avant et après le processus VLPCR. Nanoscale, 2011, 3, 2142-2144 | 2143 Voir en ligne Ce travail a été soutenu par le Programme national de recherche fondamentale de la Chine (n° 2011CB935800). Fig. 4 Spectres XPS C1s de l'Ag-GO avant et après le processus VLPCR. attribué à la liaison C-N du DMF adsorbé sur les feuilles de rGO. Ruoff et ses collègues ont démontré que le DMF peut bien disperser le GO et le rGO.22 L'observation que le mélange des dispersions d'AgNPs et de GO conduit à une grande quantité d'agrégats pourrait être attribuée à l'absence de molécules de DMF adsorbées sur le GO. En effet, le spectre XPS correspondant ne montre aucun pic de liaison C-N (Fig. 4a). Pendant le processus VLPCR, on s'attend à ce que le DMF s'adsorbe sur le GO- rGO en raison de la dissolution des AgNPs par oxydation. C'est pourquoi l'Ag-rGO résultant est stable et son spectre XPS montre un nouveau pic de la liaison C-N. La résistance du film Ag-rGO a été mesurée comme suit environ 9 KU sq-1 , ce qui démontre que cette méthode peut effectivement rétablissent efficacement la conjugaison électronique des feuilles de GO. En résumé, la réduction photocatlytique de GO induite par la lumière visible SPR en utilisant des AgNPs comme photocatalyseur très efficace en présence d'un ED s'est avérée être une méthode efficace pour la préparation d'une dispersion aqueuse stable de rGO ou de nanocomposites Ag-rGO pour la première fois. Nos observations actuelles sont significatives pour les deux raisons suivantes : (1) elles nous fournissent une méthode économique, verte et douce pour la production facile de rGO à grande échelle ; (2) de tels nanocomposites Ag-rGO sont prometteurs pour la catalyse et les applications de capteurs.18 Remerciements Références Télé charg é par l'Univ ersité de l'ÎleduPrince Édoua rd le 12 nove mbre 2012 Publié le 30 mars 2011 sur http:// pubs.r sc.org | doi:10 .1039/ C1NR 10128 E 1 A. K. Geim et A. H. MacDonald, Phys. Today, 2007, 60, 35. 2 (a) A. K. Geim et K. S. Novoselov, Nat. Mater. , 2007, 6, 183 ; (b) C. N. R . Rao, A . K . Sood, K . S . Subrahmanyam et A. Govindaraj, Angew. 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