Nanoceriumoksidigrafeenikomposiittimateriaalit ja niiden sovellukset

Abstract

Nanomateriaalit ovat kokoluokaltaan 1–100 nm välillä. Pienen kokonsa vuoksi nanomateriaaleilla on erityiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet, kuten suuri pinta-ala ja reaktiivisuus. Eri komponentteja yhdistämällä komposiitti- tai hybridimateriaaleiksi voidaan kehittää ominaisuuksiltaan parempia materiaaleja. Ceriumoksidissa (CeO2) Ce-ioni voi reversiibelisti vaihtaa hapetustilaansa Ce4+-muodosta Ce3+-muotoon. Hapetustilan muutos aiheuttaa CeO2:n hilaan sisäisiä virheitä. Hilavirheiden ansiosta CeO2 voi kuljettaa happea hilassaan. Nanokokoisen CeO2:n hilavirheiden määrä lisääntyy partikkelin koon pienentyessä. Grafeeni on yksi hiilen allotroopeista. Puhdasta grafeenia on hankala tuottaa suuria määriä, joten tyypillisesti grafeenioksidia pelkistetään pelkistetyksi grafeenioksidiksi (rGO), joka on rakenteeltaan grafeenin kaltaista. CeO2/rGO-komposiitissa rGO voi kuljettaa elektroneja sen runkoa pitkin, mikä kompensoi CeO2:n huonoa sähkönjohtokykyä. CeO2 voi vapauttaa ja varata varausta sen redox-käyttäytymisen ansiosta. CeO2-partikkelit myös estävät grafeenilevyjen uudelleenpinoutumisen. CeO2/rGO-materiaaliin voidaan yhdistää johdepolymeerejä materiaalin sähkönvarauskyvyn parantamiseksi. CeO2/rGO-komposiittia on hyödynnetty superkondensaattorien elektrodimateriaalina CeO2-nanopartikkelien pseudokapasitanssin ja grafeenin sähköisen kaksoiskerroksen kapasitanssin ansiosta. Lisäksi CeO2/rGO-materiaalia on hyödynnetty sähkökemiallisena katalyyttinä ja sensorina biomolekyylien ja orgaanisten molekyylien havaitsemisessa.Työssä CeO2/rGO-nanomateriaalia valmistettiin sonokemiallisesti. Materiaalista valmistettiin ultraäänisumutuksella ohutkalvoja pii- ja FTO-substraateille. Ohutkalvoille polymerisoitiin lisäksi pyrrolia. Näytteitä karakterisoitiin atomivoimamikroskoopilla, UV-Vis- ja XPS-spektroskopialla sekä SEM-mittauksilla. Lisäksi ohutkalvojen sähkökemiallisia ominaisuuksia tutkittiin syklisellä voltammetrialla ja varaus-purkaus-mittauksilla. Karakterisoinnin perusteella pyrroli polymerisoitui CeO2/rGO-kalvolle Ce4+-ionin hapettamana. Polymerisointireaktio ei XPS-mittausten perusteella vaikuttanut kalvon Ce4+/Ce3+-suhteeseen. Pyrrolin polymerisoinnin seurauksena kalvon paksuus kasvoi noin 20 nanometriä. Sähkökemiallisten mittausten mukaan CeO2/rGO-kalvo käyttäytyi superkondensaattorin kaltaisesti. Lisäksi pyrrolin lisäys kalvolle paransi kalvon sähkönvarauskykyä ja kapasitanssia.