Photochimique oxydant croissance de l'oxyde d'iridium nanoparticules sur CdSe @ CdS nanorods
Summary
A protocol for the photochemical oxidative growth of small crystalline iridium oxide nanoparticles on the surface of CdSe@CdS seeded rod nanoparticles is presented.
Abstract
We demonstrate a procedure for the photochemical oxidative growth of iridium oxide catalysts on the surface of seeded cadmium selenide-cadmium sulfide (CdSe@CdS) nanorod photocatalysts. Seeded rods are grown using a colloidal hot-injection method and then moved to an aqueous medium by ligand exchange. CdSe@CdS nanorods, an iridium precursor and other salts are mixed and illuminated. The deposition process is initiated by absorption of photons by the semiconductor particle, which results with formation of charge carriers that are used to promote redox reactions. To insure photochemical oxidative growth we used an electron scavenger. The photogenerated holes oxidize the iridium precursor, apparently in a mediated oxidative pathway. This results in the growth of high quality crystalline iridium oxide particles, ranging from 0.5 nm to about 3 nm, along the surface of the rod. Iridium oxide grown on CdSe@CdS heterostructures was studied by a variety of characterization methods, in order to evaluate its characteristics and quality. We explored means for control over particle size, crystallinity, deposition location on the CdS rod, and composition. Illumination time and excitation wavelength were found to be key parameters for such control. The influence of different growth conditions and the characterization of these heterostructures are described alongside a detailed description of their synthesis. Of significance is the fact that the addition of iridium oxide afforded the rods astounding photochemical stability under prolonged illumination in pure water (alleviating the requirement for hole scavengers).
Introduction
Photocatalyse présente une solution intéressante et prometteuse pour la production d'énergie renouvelable et d'autres applications environnementales telles que le traitement de l'eau et la purification de l'air 1-3. décomposition de l'eau dans l'ensemble, entraîné par l'énergie solaire, pourrait être une source de carburant propre et renouvelable hydrogène; Toutefois, en dépit des décennies de recherche, les systèmes qui sont suffisamment stable et efficace pour une utilisation pratique n'a pas encore été réalisé.
Les deux photodeposition et photocatalyse à semi-conducteur à médiation reposent sur le même mécanisme de séparation de paires électrons-trous photo-générés et les conduire vers la surface où ils peuvent initier des réactions d'oxydo-réduction. Les similitudes entre ces deux processus font photodeposition un outil synthétique attrayant pour le domaine de la photocatalyse 4-6. Cette méthode est prévue pour la production de photocatalyseur de frontières nouvelles et inexplorées. Il pourrait potentiellement offrir un contrôle impeccable sur l'arrangement spatialdes différents composants dans un hétérostructures, et faire progresser la capacité de construire des systèmes de nanoparticules sophistiquées. En fin de compte la méthode va nous apporter un peu plus de la réalisation d'un photocatalyseur efficace pour la conversion directe solaire à carburant énergétique.
Nous avons étudié la croissance de IrO 2 en tant que co-catalyseur, comme il est connu pour être un catalyseur efficace pour l'oxydation de l'eau 7-11. Une structure accordable de point quantique (CdSe) noyé dans une tige (sulfure de cadmium) 12,13 a été utilisé comme notre substrat de photocatalyseur 14,15. Il est actuellement indéterminée quant à la voie oxydative se produit par une voie médiation ou par une attaque du trou direct. Ici, notre connaissance et notre contrôle sur les trous dans le photo-hétérostructure de semi-conducteurs peuvent être exploitées pour une étude mécanistique des réactions d'oxydation. Ceci est rendu possible par l'architecture du substrat, ce qui facilite la localisation des trous fermés 16,17 et la formation d'unedistinct site de réaction d'oxydation sur la tige. L'utilisation de matériaux à l'échelle nanométrique avec porteur de charge localisée peut être exploitée pour des études mécanistiques de réactions d'oxydoréduction par simple examen des produits. De cette manière photodeposition peut être utilisé comme une sonde unique de deux voies réactionnelles réduction et d'oxydation. Ceci est un exemple des nouvelles et passionnantes possibilités offertes par la combinaison de photodeposition et pointe synthèse colloïdale 18-20.
La quête de développer un photocatalyseur efficace pour décomposition de l'eau et de la conversion de l'énergie renouvelable est devenue un axe important au sein de la communauté des matériaux. Cela a stimulé l'intérêt dans le monde de la CDS, qui est connu pour être très actif pour la production d'hydrogène, mais il est entravé par l'instabilité photochimique. Notre travail ici traite le talon d'Achille de la matière. Iro 2 décorée CdSe @ CdS tiges démontrent la stabilité photochimique remarquable sous illumination prolongée dans le plus pureau.
Protocol
Representative Results
Discussion
La synthèse de graines CdSe et CdSe @ CdS ensemencées tiges a été bien étudié 21,24,25. De légères modifications aux montants, les températures et les temps pour les étapes de la synthèse de ces particules de substrat peuvent être utilisés pour ajuster leur longueur, le diamètre, et / ou la morphologie. Le protocole de synthèse décrit ici donne ensemencées tiges très photoluminescents de dimensions uniformes.
La procédure d'échange de ligands permet l'u…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par le Programme du Comité de planification et de la budgétisation et de la Fondation Sciences Israël (Grant n ° 152/11) I-CORE. Nous remercions la Faculté Schulich de chimie et du Technion – Israel Institute of Technology pour le paquet de laboratoire et le démarrage rénovée. Nous remercions également le Royal Society of Chemistry pour autorisation dans l'adaptation du matériel de http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K pour une utilisation dans ce manuscrit. Dr. Kalisman remercie le stage postdoctoral Schulich pour leur soutien. Nous remercions le Dr Yaron Kauffmann pour son aide avec HR-TEM et HAADF ainsi que le Dr Kamira Weinfeld pour son aide à la caractérisation XPS.
Materials
| Sulfur (S) | Sigma | 84683 | |
| Selenium (Se) | Sigma | 229865 | |
| Cadmium Oxide (CdO) | Sigma | 202894 | Highly Toxic |
| n-Octadecylphosphonic acid (ODPA) | Sigma | 715166 | |
| Propylphosphonic acid (PPA) | Sigma | 305685 | Highly regulated in some countries and regions |
| Butylphosphonic acid (BPA) | Sigma | 737933 | Alternative to PPA |
| Hexylphosphonic acid (HPA) | Sigma | 750034 | Alternative to PPA |
| Trioctylphosphonic oxide (TOPO) | Sigma | 346187 | |
| Tri-n-octylphosphine, 97% (TOP) | Sigma | 718165 | Air sensitive |
| Spectrochemical Stirbar | Sigma | Z363545 | |
| Sodium Hydroxide | Sigma | S5881 | |
| Methanol | Sigma | 322415 | |
| Toluene | Sigma | 244511 | |
| Hexane | Sigma | 296090 | |
| Octylamine | Sigma | 74988 | |
| Nonanoic Acid | Sigma | N5502 | |
| Isopropanol | Sigma | 278475 | |
| Mercaptoundecanoic Acid (MUA) | Sigma | 674427 | |
| Tetramethylammonium Hydroxide (TMAH) | Sigma | T7505 | |
| Apiezon H Grease (high temperature grease) | Sigma | Z273562 | |
| Sodium Persulfate | Sigma | 216232 | |
| Sodium Nitrate | Sigma | 229938 | |
| Sodium Hexachloroiridate(III) hydrate | Sigma | 288160 | |
| Mounted 455nm LED | Thorlabs | M455L3 | |
| Cuvette Holder | Thorlabs | CVH100 | |
| 25mL 3-neck Round Bottom Flask | Chemglass | CG-1524-A-02 | |
| Liebig Condensor | Chemglass | CG-1218-A-20 | |
| T-Joint Adapter | Chemglass | AF-0509-10 |
References
- Maeda, K., et al. Photocatalyst releasing hydrogen from water. Nature. 440 (7082), 295-295 (2006).
- Jacobson, M. Z., Colella, W. G., Golden, D. M. Cleaning the Air and Improving Health with Hydrogen Fuel-Cell Vehicles. Science. 308 (5730), 1901-1905 (2005).
- Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W., Bahnemann, D. W. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis. Chem. Rev. 95 (1), 69-96 (1995).
- Dukovic, G., Merkle, M. G., Nelson, J. H., Hughes, S. M., Alivisatos, A. P. Photodeposition of Pt on Colloidal CdS and CdSe/CdS Semiconductor Nanostructures. Adv. Mater. 20 (22), 4306-4311 (2008).
- Menagen, G., Macdonald, J. E., Shemesh, Y., Popov, I., Banin, U. Au Growth on Semiconductor Nanorods: Photoinduced versus Thermal Growth Mechanisms. J. Am. Chem. Soc. 131 (47), 17406-17411 (2009).
- Alemseghed, M. G., Ruberu, T. P. A., Vela, J. Controlled Fabrication of Colloidal Semiconductor-Metal Hybrid Heterostructures: Site Selective Metal Photo Deposition. Chem. Mater. 23 (15), 3571-3579 (2011).
- Frame, F. A., et al. Photocatalytic Water Oxidation with Nonsensitized IrO2 Nanocrystals under Visible and UV Light. J. Am. Chem. Soc. 133 (19), 7264-7267 (2011).
- Iwase, A., Kato, H., Kudo, A. A Novel Photodeposition Method in the Presence of Nitrate Ions for Loading of an Iridium Oxide Cocatalyst for Water Splitting. Chemistry Letters. 34 (7), 946-947 (2005).
- Kalisman, P., Kauffmann, Y., Amirav, L. Photochemical oxidation on nanorod photocatalysts. J. Mater. Chem. 3 (7), 3261-3265 (2015).
- Ryu, W. H., et al. Crystalline IrO2-decorated TiO2 nanofiber scaffolds for robust and sustainable solar water oxidation. J. Mater. Chem. A. 2 (16), 5610-5615 (2014).
- Nakagawa, T., Bjorge, N. S., Murray, R. W. Electrogenerated IrOx Nanoparticles as Dissolved Redox Catalysts for Water Oxidation. J. Am. Chem. Soc. 131 (43), 15578-15579 (2009).
- Talapin, D. V., et al. Seeded Growth of Highly Luminescent CdSe/CdS Nanoheterostructures with Rod and Tetrapod Morphologies. Nano Lett. 7 (10), 2951-2959 (2007).
- Carbone, L., et al. Synthesis and Micrometer-Scale Assembly of Colloidal CdSe/CdS Nanorods Prepared by a Seeded Growth Approach. Nano Lett. 7 (10), 2942-2950 (2007).
- Amirav, L., Alivisatos, A. P. Photocatalytic Hydrogen Production with Tunable Nanorod Heterostructures. J. Phys. Chem. Lett. 1 (7), 1051-1054 (2010).
- Nakibli, Y., Kalisman, P., Amirav, L. Less Is More: The Case of Metal Cocatalysts. J. Phys. Chem. Lett. 6, 2265-2268 (2015).
- Lupo, M. G., et al. Ultrafast Electron-Hole Dynamics in Core/Shell CdSe/CdS Dot/Rod Nanocrystals. Nano Lett. 8 (12), 4582-4587 (2008).
- Raino, G., et al. Probing the Wave Function Delocalization in CdSe/CdS Dot-in-Rod Nanocrystals by Time- and Temperature-Resolved Spectroscopy. ACS Nano. 5 (5), 4031-4036 (2011).
- Talapin, D. V., Lee, J. S., Kovalenko, M. V., Shevchenko, E. V. Prospects of Colloidal Nanocrystals for Electronic and Optoelectronic Applications. Chem. Rev. 110 (1), 389-458 (2010).
- Kraus, R. M., et al. Room-Temperature Exciton Storage in Elongated Semiconductor Nanocrystals. Phys. Rev. Lett. 98 (1), 017401 (2007).
- She, C., Demortière, A., Shevchenko, E. V., Pelton, M. Using Shape to Control Photoluminescence from CdSe/CdS Core/Shell Nanorods. J. Phys. Chem. Lett. 2 (12), 1469-1475 (2011).
- Manthiram, K., Beberwyck, B. J., Talapin, D. V., Alivisatos, A. P. Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals. J. Vis. Exp. (82), (2013).
- Yu, W. W., Qu, L., Guo, W., Peng, X. Experimental Determination of the Extinction Coefficient of CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals. Chem. Mater. 15 (14), 2854-2860 (2003).
- Miao, M. S., Seshadri, R. Rh2O3 versus IrO2: relativistic effects and the stability of Ir4. J. Phys. Condens. Matter. 24 (21), 215503 (2012).
- Amirav, L., Alivisatos, A. P. Luminescence Studies of Individual Quantum Dot Photocatalysts. J. Am. Chem. Soc. 135 (35), 13049-13053 (2013).
- Vaneski, A., Schneider, J., Susha, A. S., Rogach, A. L. Aqueous synthesis of CdS and CdSe/CdS tetrapods for photocatalytic hydrogen generation. APL Materials. 2 (1), 012104 (2014).
