Σύνθεση και χαρακτηρισμός υβριδικού υλικού από οξείδιο του γραφενίου και ZnIn2S4 - Γιασεμή, Μαριάννα (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I), 2015)
Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στη σύνθεση και το χαρακτηρισμό υβριδικού υλικού αποτελούμενου από οξείδιο του γραφενίου (Graphene Oxide-GO) και σουλφίδιο ινδίου ψευδαργύρου (ZnIn2S4). Το γραφένιο είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα η οποία αποτελείται από ένα επίπεδο, πάχους ενός ατόμου, στρώμα sp2 ατόμων άνθρακα, τα οποία είναι πυκνά διατεταγμένα σε δισδιάστατο (2D) κυψελλοειδές πλέγμα. Έχει εξαιρετικές ιδιότητες και μεγάλη ειδική επιφάνεια, χαρακτηριστικά τα οποία πηγάζουν από τη δισδιάστατη δομή του και το καθιστούν ιδανικό για πλήθος εφαρμογών, όπως στο πεδίο της οπτοηλεκτρονικής, της κατάλυσης και της βιοιατρικής. Το οξείδιο του γραφενίου διατηρεί την στρωματική, δισδιάστατη δομή, με κύρια διαφορά την ύπαρξη διαφόρων χαρακτηριστικών ομάδων οξυγόνου συνδεδεμένων με το υπάρχον εξαγωνικό πλέγμα. Διατηρεί σε ένα ποσοστό τις καλές ιδιότητες του γραφενίου, το πιο ελκυστικό όμως χαρακτηριστικό του είναι η χημική δραστικότητα του. Αποτέλεσμα αυτής είναι αφενός η δυνατότητα αναγωγής και παραγωγής καθαρού γραφενίου, αφετέρου η δυνατότητα τροποποίησης/ενεργοποίησης του, προκειμένου να επιτευχθούν επιθυμητές τελικές ιδιότητες και δομικά χαρακτηριστικά. Το ZnIn2S4 ανήκει στην ειδική κατηγορία των ενώσεων των χαλκογονιδίων και ως ένας σημαντικός ημιαγωγός έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρικών και οπτικών ιδιοτήτων του. Έχει ένα κατάλληλο ενεργειακό χάσμα (2,34 εώς 2,48 eV), το οποίο ανταποκρίνεται πολύ καλά στην απορρόφηση ορατού φωτός και λόγω της μεγάλης χημικής σταθερότητάς του έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον για την φωτοκαταλυτική του δράση στην αποδόμηση οργανικών ρύπων και στη διάσπαση του νερού για παραγωγή υδρογόνου. Ωστόσο, η φωτοκαταλυτική του δράση είναι χαμηλή λόγω της κακής απόδοσης διαχωρισμού και της χαμηλής ικανότητας μετανάστευσης των φωτοδιεγερμένων φορέων φορτίου, έτσι για βελτίωσή της γίνεται ενίσχυση του ZnIn2S4 με γραφένιο ή οξείδιο του γραφενίου (GR ή GO) λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, όπως η απορρόφηση του ορατού φωτός, η εξαιρετική ικανότητα μεταφοράς ηλεκτρονίων εντός του φωτοκαταλύτη και η καταστολή ανασυνδυασμού του φορτίου. Επίσης, η μεγάλη ειδική επιφάνεια, η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, η σταθερότητα και οι συντονισμένες επιφανειακές ιδιότητές του βελτιώνουν τη φωτοκαταλυτική δράση του ημιαγωγού ZnIn2S4. Τέλος, το πιο σημαντικό είναι ότι το στενό διάκενο ζώνης του φωτοκαταλυτικού υβριδικού ημιαγωγού/GR ή GO έχει δείξει αυξημένη αντοχή στη διάβρωση με ενισχυμένη φωτοσταθερότητα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, η σύνθεση των υβριδικών υλικών περιλαμβάνει αρχικά το στάδιο παρασκευής του GO και εν συνεχεία το στάδιο ενσωμάτωσης των νανοσωματιδίων στα νανοφύλλα. Το GO παράχθηκε μέσω οξείδωσης γραφίτη, με χρήση ισχυρών οξειδωτικών αντιδραστηρίων (modified Hummers method). Η ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων έγινε με τη μέθοδο της ηλεκτροστατικής αυτό-συναρμολόγησης (self assembly) πάνω στα νανοφύλλα του GO. Πιο συγκεκριμένα, το GO ενεργοποιήθηκε με τις επιφανειοδραστικές ουσίες CTAB και PSS και εν συνεχεία διασπάρθηκε σε αιθυλενογλυκόλη (EG). Ο σχηματισμός των νανοσωματιδίων έγινε με διαλυτοθερμική (solvothermal) μέθοδο σε μέσο πολυόλης. Στο διάλυμα του ενεργοποιημένου GO-EG προστέθηκε η ουσία ZnIn2S4 και τα σταθεροποιητικά αντιδραστήρια NaAc και PEG και το εναιώρημα σφραγίστηκε σε αυτόκλειστο και θερμάνθηκε στους 200οC. Οι πυρήνες του ZnIn2S4, σχηματίστηκαν in situ με προσρόφηση των ιόντων Zn2+ και In3+ στην επιφάνεια του GO τα οποία αντέδρασαν με την EG παράγοντας ένα σύμπλοκο το οποίο αντέδρασε περαιτέρω με τα ανιόντα S2- από τη διάσπαση της θειουρίας και καθώς προχωρούσε η αντίδραση οι πυρήνες μεγάλωσαν δημιουργώντας νανοσωματίδια τα οποία τελικά καθώς μεγάλωναν διασυνδέθηκαν μεταξύ τους σχηματίζοντας μεγαλύτερα συσσωματώματα ZnIn2S4 σωματίδιων πάνω στα φύλλα GO σχηματίζοντας το τελικό νανοϋβριδικό υλικό. Ο χαρακτηρισμός των προϊόντων έγινε με διάφορες ενόργανες μεθόδους ανάλυσης, όπως Περίθλαση Ακτίνων X (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), Ηλεκτρονιακό Μικροσκόπιο Σάρωσης Εκπομπής Πεδίου (FESEM), Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (TG) και Φασματοσκοπία Raman (Raman Spectroscopy). Οι αναλύσεις με τις παραπάνω μεθόδους πιστοποίησαν την ενσωμάτωση των νανοφύλλων ZnIn2S4 στα νανοφύλλα του GO. Τέλος, μελετήθηκε και η φωτοκαταλυτική δράση των παραγόμενων υβριδικών υλικών, υπό την ακτινοβολία ορατού φωτός, για την αποικοδόμηση του δείκτη πορτοκαλί του μεθυλίου ή ηλιανθίνη (methylorange).