Photochemische oxidative Wachstum von Iridium-Nanopartikel auf CdSe @ CdS-Nanostäbchen
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
Photokatalyse eine attraktive und vielversprechende Lösung für die Erzeugung erneuerbarer Energien und andere umwelttechnische Anwendungen wie Wasseraufbereitung und Luftreinigung 3.1. Insgesamt Wasserspaltung durch Sonnenenergie angetrieben wird, könnte eine Quelle für saubere und erneuerbare Wasserstoffkraftstoff sein; Trotz jahrzehntelanger Forschung, Systeme, die ausreichend stabil und effizient für die praktische Anwendung sind noch nicht realisiert worden.
Sowohl-Photo und Halbleiterphotokatalyse-vermittelte beruhen auf dem gleichen Mechanismus des Trennens photoerzeugten Elektron-Loch-Paare und an der Oberfläche fahren, in dem sie Redoxreaktionen initiieren kann. Die Ähnlichkeiten zwischen diesen beiden Prozessen machen-Photo eine attraktive Synthesemethode für den Bereich der Photokatalyse 4-6. Dieses Verfahren wird voraussichtlich Photokatalysator Produktion zu neuen und unerforschten Grenzen zu nehmen. Es könnte möglicherweise unberührten Kontrolle über die räumliche Anordnung bietender verschiedenen Komponenten in einem Heterostrukturen und voran die Fähigkeit, anspruchsvolle Nanopartikelsysteme zu konstruieren. Letztlich wird das Verfahren uns einen Schritt näher bringen eine effiziente Photokatalysator für direkte Sonnen-Kraftstoff-Energieumwandlung zu realisieren.
Wir untersuchten das Wachstum von IrO 2 als ein Co-Katalysator, wie es bekannt ist ein wirksamer Katalysator für die Wasseroxidation 7-11 sein. Eine abstimmbare Struktur von Quantenpunkt (CdSe) in einer Stange (Cadmiumsulfid) eingebettet 12,13 als unsere Photokatalysator Substrat 14,15 verwendet. Es ist derzeit unbestimmt, ob die oxidative Weg über einen vermittelten Weg auftritt, oder durch eine direkte Loch Angriff. Hier unser Wissen und die Kontrolle über die durch Licht erzeugten Löcher in der Halbleiterheterostruktur kann für eine mechanistische Studie der Oxidation Reaktionen nutzbar gemacht werden. Möglich wird dies durch das Substrat Architektur, die Lokalisierung von engen Löcher 16,17 und die Bildung einer erleichtertverschiedene Oxidationsreaktionsstelle auf der Stange. Die Verwendung von Nanomaterialien mit lokalisierten Ladungsträger können für mechanistische Studien an Redox-Reaktionen, die durch einfache Prüfung der Produkte genutzt werden. Auf diese Weise können-Photo als einzigartige Sonden beider Reduktions- und Oxidationsreaktionswege verwendet werden. Dies ist ein Beispiel für die neue und aufregende Möglichkeiten durch die Kombination von-Photo gewährt und Schneide kolloidalen Synthese 18-20.
Die Suche eine effiziente Photokatalysator für die Wasserspaltung und erneuerbare Energieumwandlung zu entwickeln, ist zu einem wichtigen Schub innerhalb der Materialien Gemeinschaft. Dies hat weltweites Interesse an CdS angespornt, die sehr aktiv für die Wasserstoffproduktion zu sein, bekannt ist, obwohl es durch photochemische Instabilität behindert. Unsere Arbeit hier behandelt die Achillesferse des Materials. IrO 2 eingerichtet CdSe @ CdS Stangen zeigen bemerkenswerte photochemische Stabilität unter längerer Bestrahlung in reinWasser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Synthese von CdSe Samen und CdSe @ CdS ausgesät Stangen wurde 21,24,25 gut untersucht. Geringfügige Änderungen der Mengen, Temperaturen und Zeiten für die Schritte der Synthese dieser Substratpartikel können zum Abstimmen ihrer Länge, Durchmesser und / oder Morphologie verwendet werden. Das synthetische Protokoll hier beschrieben liefert hochphotolumineszier ausgesät Stangen einheitlicher Dimensionen.
Die Ligandenaustauschverfahren ermöglicht die Verwendung von ausges?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der I-CORE Programms der Planung und Budgetierung Ausschuss und der Israel Science Foundation (Grant No 152/11) unterstützt. Wir danken der Schulich Fakultät für Chemie und des Technion – Israel Institute of Technology für die Renovierung Labor und Startup-Paket. Wir danken auch der Royal Society of Chemistry für die Erlaubnis, in Materialien aus http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K für die Verwendung in dieser Handschrift anzupassen. Dr. Kalisman dank der Schulich Postdoc-Stipendium für ihre Unterstützung. Wir danken Dr. Yaron Kauffmann für seine Unterstützung bei der HR-TEM und HAADF sowie Dr. Kamira Weinfeld für ihre Unterstützung bei der XPS Charakterisierung.
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 |
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