Специалисты из Новосибирского государственного университета, Института неорганической химии СО РАН и Пекинского университета химических технологий исследовали свойства модифицированного графита — перфорированного окисленного графена. В частности, было найдено объяснение природы наблюдаемой двухволновой фотолюминесценции и полученного рекордного значения квантового выхода 11,6%. В перспективе такое соединение может использоваться в электронных и оптоэлектронных приложениях, например, для создания фототранзисторов, устройств конверсии энергии, фотодетекторов и осветительных приборов.

Оптические изображения водной дисперсии (a), порошка (b) перфорированного окисленного графена, водной дисперсии с величиной поглощения равной 1 при 222 нм (c); электронномикроскопические изображения оксида графита (d) и перфорированного окисленного графена (e, f, g)

Графен — монослой кристалла графита. Учёные из Китая и России создали из оксида графита тонкие слои оксида графена с большим количеством дефектов (дырок) в структуре и изучили его строение и фотолюминесцентные свойства. Китайская сторона занималась экспериментальной частью работы, российская — интерпретацией результатов с помощью квантовой химии.

В исследовании приняли участие учёные из лаборатории углеродных волокон и функциональных полимеров Пекинского университета химических технологий под руководством профессора Хуайхе Сонга (Huaihe Song) , лаборатории углеродных наноматериалов Новосибирского государственного университета, лаборатории физикохимии наноматериалов Института неорганической химии им. А. В. Николаева (ИНХ) СО РАН.

На основе проведенного исследования в журнале Carbon (IF= 6,198) опубликована статья Leaky graphene oxide with high quantum yield and dual-wavelength photoluminescence.

Как отмечает заведующий лабораториями углеродных наноматериалов НГУ и физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН, эксперт САЕ НГУ «Низкоразмерные гибридные материалы» Александр Окотруб, идея получения нового материала была предложена сотрудниками институтской лаборатории (Николаем Юдановым и Вячеславом Туром):

Несколько лет назад нам удалось получить модифицированный графит путём придания ему большого количества дырок в графеновых слоях (перфорированный графит). Эта идея очень понравилась китайским коллегам, с которыми мы сотрудничаем в области создания новых гибридных углеродных материалов для электрохимических накопителей энергии.

Синтезом образцов занимался аспирант Пекинского университета химических технологий Су Чжан (Su Zhang). В процессе повторного окисления оксида графита образовались слои графена с большим количеством структурных дефектов и кислородосодержащих функциональных групп, которые условно поделили его на участки разных размеров.

 

Оказалось, что окисленный перфорированный графен при облучении ультрафиолетом проявляет двухволновую фотолюминесценцию в сине-зелёном диапазоне с квантовым выходом (отношением среднего количества излучённых квантов к количеству поглощённых), равным 11,6%. Для исходного оксида графита эта величина составляла 7%. Су Чжан обратился к новосибирским коллегам, чтобы выяснить природу двух волн излучения и объяснить рекордное значение квантового выхода.


По словам старшего научного сотрудника лабораторий углеродных наноматериалов НГУ и физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН Юлии Федосеевой, известно, что графен — проводник, не проявляющий оптических свойств, но если уменьшить его площадь до нанометровых размеров, то он приобретает характеристики полупроводника — с уменьшением размера графеновых плоскостей ширина запрещённой зоны и оптического перехода увеличивается, при этом длина волны испускаемого света уменьшается:

Высокая величина квантового выхода в данном эксперименте оказалась связана с тем, что после окисления и создания дырок в плоскости графена размер изолированных фрагментов материала стал намного меньше. Их большое количество и малый размер повлияли на цвет и высокую интенсивность фотолюминесцентного свечения.

 

Вторая часть работы была связана с исследованием влияния на графен кислородосодержащих функциональных групп. Перфорированный окисленный графен восстановили тремя способами — гидротермальным, сольвотермальным в присутствии гидразина и нагреванием в гидразин-гидрате. После восстановления в образцах уменьшилось количество кислородосодержащих групп, и появился азот, который входит в состав гидразина. Квантовый выход снизился, соответственно методам, до 1,7%, 4,6% и 5,6%, а спектры фотолюминесценции сдвинулись в синюю область и уменьшились в интенсивности.

Мы пришли к выводу, что фотолюминесценция в перфорированном оксиде графена и возникает в результате электронных переходов, в которых участвуют связующие и разрыхляющие π-орбитали графена. Две полосы фотолюминесценции показывают, что в образце присутствуют графеновые области разного размера, которые отделены друг от друга «дырками» и функциональными группами. После удаления функциональных групп размер графеновых областей увеличивается, и интенсивность в основном зеленой полосы фотолюминесценции уменьшается, — говорит Юлия Федосеева.

Учёные также выяснили, что если удалить кислород- и азотсодержащие группы, расположенные на краях графена, то диапазон свечения сдвигается в синюю область спектра.

Александр Окотруб подчёркивает, что у окисленного графена есть широкие перспективы применения в электрохимических приложениях:

Слои перфорированного графена выступают как очень тонкие фильтры, через которые могут протекать только очень маленькие молекулы. Мы изучали структуру этих соединений, химически-реакционную способность, и сейчас ведётся работа по исследованию и применению таких веществ в электрохимии. Создавая дефекты на поверхности графена, мы сильно модифицируем его свойства — появляется заряд, меняется тип носителей, их концентрация и даже характер проводимости. Если графен в основном используется в электронных приложениях, то окисленный графен найдёт применение в электрохимии, в литий–ионных аккумуляторах, в качестве носителя в электрокаталитических системах, топливных элементах и многих других приложениях.

Анастасия Аникина

Похожие новости

  • 13/03/2017

    Центр энергоэффективного катализа НГУ как воплощение идеи интеграции НГУ и ИК СО РАН

    Научно-образовательный центр энергоэффективного катализа (НОЦ ЭК), созданный Институтом катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Новосибирским государственным университетом при финансовой поддержке Фонда «Сколково», за три года функционирования показал выдающиеся результаты.
    1526
  • 10/04/2019

    Российские ученые нашли лучший катализатор для добычи энергии из отходов

    Российские ученые определили состав катализатора, наиболее эффективно ускоряющего процесс экологически чистого получения энергии из отходов, результаты работы, которые могут найти практическое применение в промышленности, опубликованы в престижном международном журнале Catalysis Letters.
    733
  • 15/04/2016

    Новосибирские химики очищают водоёмы с помощью растений

    ​Учёные Новосибирского государственного университета занимаются исследованием растений, способных накапливать в своих тканях тяжёлые металлы, чтобы применять их для очистки водоёмов и почв от ядовитых веществ, которые попадают в окружающую среду с отходами промышленных предприятий.
    3667
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    814
  • 17/10/2016

    Новосибирские учёные исследуют искусственные наночастицы

    ​Группа специалистов из лаборатории радиоуглеродных методов анализа Новосибирского государственного университета и ряда институтов СО РАН провела исследование с помощью ускорительной масс-спектрометрии, результаты которого убедительно показали — искусственные наночастицы, которых в окружающей атмосфере становится всё больше, очень плохо выводятся из организмов млекопитающих.
    2560
  • 07/08/2018

    Магистранты ТПУ примут участие в работе над уникальными проектами

    ​Магистрантам Томского политехнического университета предлагают стать участниками уникальных исследовательских проектов в составе научных групп под руководством ведущих ученых вуза. Одной из таких научно-исследовательских групп является коллектив научно-образовательного центра Н.
    926
  • 03/09/2018

    Ученые рассчитали параметры устойчивости гибридных фотоэлектрических наноматериалов

    ​​Сибирские ученые совместно с иностранными коллегами рассчитали, какие параметры влияют на силу взаимодействия углеродных нанотрубок с фталоцианинами – сложными азотсодержащими соединениями. Гибридные конструкции на их основе можно использовать в качестве новых материалов для создания солнечных батарей, сенсоров и оптических приборов.
    670
  • 03/01/2019

    Обнаружены особенности образования соединений, мешающих добыче нефти и газа

    ​​Ученые из Института неорганической химии имени А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук (ИНХ СО РАН) исследовали реакцию образования кристаллических соединений воды и газа (газовых гидратов) с метастабильной (неустойчивой) структурой.
    1008
  • 06/05/2019

    В Санкт-Петербурге прошло заседание Консультативного научного совета Фонда «Сколково»

    ​В Санкт-Петербургском научном центре РАН состоялось выездное заседание Консультативного научного совета Фонда «Сколково». Члены совета подвели предварительные итоги 2018 года, обсудили памятные и праздничные мероприятия, побывали в Академическом университете.
    653
  • 22/08/2018

    Учеными впервые запечатлены флуктуации при квантовом фазовом переходе

    Физики впервые смогли напрямую зафиксировать локальную динамику системы, которая совершает квантовый фазовый переход, — аналог таких процессов, как конденсация и кристаллизация. В результате ученые пронаблюдали квантовый аналог пузырей пара, которые появляются в воде во время кипения.
    1008