Síntese e caracterização de propriedades ópticas lineares/não lineares de óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1496 (2023) Citar este artigo

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Neste artigo, objetivamos investigar as propriedades ópticas lineares e não lineares de nanocompósitos GO-ZnO e RGO-ZnO em comparação com GO puro e óxido de grafeno reduzido (RGO). Para este propósito, GO, RGO, GO-ZnO e RGO-ZnO foram sintetizados e caracterizados por absorção de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR), ultravioleta-visível (UV-Vis), difração de raios-X (XRD) e energia dispersiva Espectroscopia de raios X (EDX). As análises de XRD e EDX indicaram a redução de GO, bem como a síntese bem-sucedida de nanocompósitos de GO-ZnO e RGO-ZnO. A espectroscopia FT-IR mostrou que as bandas de absorção estavam em 3340 cm−1, 1630 cm−1, 1730 cm−1 e 480 cm−1 relacionadas às vibrações de alongamento OH, C=C, C=O e Zn–O, respectivamente . Os gaps de banda diretos de GO, RGO, GO-ZnO e RGO-ZnO dos espectros UV-Vis foram de 3,36, 3,18, 3,63 e 3,25 eV, sequencialmente. Além disso, as propriedades ópticas não lineares de terceira ordem foram investigadas usando uma técnica z-scan com laser Nd:YAG (532 nm, 70 mW). Pode-se observar que o valor do coeficiente de absorção não linear \((\upbeta )\) aumentou de 5,3 × 10–4 (GO) para 8,4 × 10–3 cm/W (RGO-ZnO). Além disso, o índice de refração não linear (n2) de GO, RGO, GO-ZnO e RGO-ZnO foi obtido como 10,9 × 10–10, 14,3 × 10–10, 22,9 × 10–10 e 31,9 × 10–10 cm2/W respectivamente.

Após a descoberta do grafeno por Geim e Noveselev em 2004, uma grande pesquisa foi realizada no campo deste material mais fino e plano que poderia existir no universo1,2,3,4. O grafeno oferece uma estrutura hibridizada sp2 bidimensional (2D) única e excelentes propriedades, como alta flexibilidade mecânica, condutividades elétrica e térmica superiores, grande área de superfície específica e alta estabilidade química5,6,7,8,9,10, 11. Devido a essas características, o grafeno tem várias aplicações, incluindo supercapacitores12,13, fotovoltaicos14,15,16, células de combustível17,18,19, sensores20,21 e nanofluidos22,23. Além disso, a estrutura cristalina 2D do grafeno pode torná-lo mais popular para carregar diversos materiais ou formar vários compósitos que aprimoram os recursos benéficos do grafeno e dos componentes adicionados24. Por exemplo, observa-se que compósitos de grafeno/óxido metálico têm apresentado maior desempenho para armazenamento de energia25,26,27,28 e detecção eletroquímica29,30,31,32 em comparação com grafeno individual ou componentes adicionados. Além disso, a pesquisa sobre grafeno funcionalizado mostrou que os compósitos de grafeno exibem respostas ópticas não lineares (NLO) notáveis33. A este respeito, os óxidos metálicos inorgânicos podem ser bons candidatos para combinar com o grafeno. Recentemente, eles têm atraído atenção significativa por causa de sua ampla utilização em catálise, purificação de água, produção de hidrogênio, baterias de íons de lítio e eletrônicos transparentes34,35,36,37,38,39. Por exemplo, o óxido de zinco (ZnO) é um óxido de metal inorgânico com uma ampla lacuna de banda de 3,37 eV40,41 e uma grande energia de ligação do exciton à temperatura ambiente (60 meV) tem diversas aplicações potenciais, como diodos emissores de luz42, células solares43,44 ,45,46, sensores47,48,49, fotodetectores50 e nanogeradores1,5. Consequentemente, de acordo com as propriedades superindividuais do grafeno e do ZnO, a combinação do grafeno com nanopartículas de ZnO pode melhorar o desempenho1. Obviamente, solubilidade e processabilidade adequadas são consideradas os primeiros requisitos para muitas aplicações de materiais à base de grafeno33. A baixa solubilidade do grafeno limitou sua aplicação tanto em solvente orgânico quanto em solvente inorgânico24. Um dos métodos possíveis para melhorar a solubilidade é a oxidação do grafeno e modificação do GO com alguns materiais solúveis. Como o GO possui grandes quantidades de grupos contendo oxigênio, como carboxila, carbonila e hidroxila/epoxi, pode facilmente fornecer vários tipos de formas de decoração com materiais orgânicos e inorgânicos por funcionalização covalente/não covalente51. O óxido de grafeno (GO) pode ser sintetizado por vários métodos, como Staudenmaier52, Hofmann53, Jaleh54 e Marcano55. Dentre eles, o método de Hummers é amplamente utilizado para a produção de GO atualmente56.