धातु नैनोकणों के ठीक नियंत्रित जमाव के लिए एक सतत प्रवाह Photoउत्प्रेरक रिएक्टर
Summary
नोबल धातु आधारित nanoकंपोजिट के एक सतत और स्केलेव संश्लेषण के लिए, एक उपंयास photoउत्प्रेरक रिएक्टर विकसित की है और इसकी संरचना, आपरेशन सिद्धांतों, और उत्पाद की गुणवत्ता अनुकूलन रणनीतियों का वर्णन कर रहे हैं ।
Abstract
इस काम में, photoउत्प्रेरक के स्पंदित और नियंत्रित उत्तेजना के लिए एक उपंयास photoउत्प्रेरक रिएक्टर और धातु नैनोकणों के सटीक बयान विकसित की है । रिएक्टर की प्रतिकृति और उसके प्रचालन के लिए दिशानिर्देश विवरण में दिए गए हैं । तीन अलग समग्र प्रणालियों (पीटी/ग्राफीन, पीटी/और2, और Au/एकसमान रूप से वितरित कणों के साथ इस रिएक्टर द्वारा उत्पादित कर रहे हैं, और photodeposition तंत्र, साथ ही संश्लेषण अनुकूलन रणनीति, चर्चा कर रहे हैं । संश्लेषण विधियों और उनके तकनीकी पहलुओं को व्यापक रूप से वर्णित किया गया है । प्रकाश निक्षेपण प्रक्रिया पर पराबैंगनी (यूवी) खुराक (प्रत्येक उत्तेजन नाड़ी में) की भूमिका की जांच की जाती है और प्रत्येक मिश्रित प्रणाली के लिए इष्टतम मूल्य प्रदान किए जाते हैं ।
Introduction
धातुई नैनोकणों, विशेष रूप से नोबल धातुओं (जैसे, पीटी, Au, पीडी) उत्प्रेरण1में विशाल आवेदन किया है । सामांय में, नैनोकणों (एनपीएस) के आकार को कम करने से उनकी उत्प्रेरक गतिविधि बढ़ जाती है जबकि लागत (वजन) स्थिर बनाए रखने, लेकिन यह भी अपने आवेदन और अधिक कठिन बना देता है । एनपीएस (आमतौर पर 10 एनएम से छोटी) एकत्रीकरण के लिए महान प्रवृत्तियों है, जो उनके उत्प्रेरक गतिविधि degrades; हालांकि, उपयुक्त substrates पर स्थिरीकरण ज्यादातर इस समस्या को हल कर सकते हैं । इसके अलावा, आवेदन के प्रकार पर निर्भर करता है (जैसे, इलेक्ट्रोकैटालिसीस), यह कभी कभार प्रवाहकीय substrates2,3पर एनपीएस स्थिर आवश्यक है । एक शॉटकी बैरियर बनाने के लिए और इलेक्ट्रॉन होल पुनर्संयोजन (इलेक्ट्रॉन ट्रैप के रूप में कार्य करने)4,5से बचने के लिए एनपीएस अर्धचालकों के साथ भी संकरा किया जा सकता है । इसलिए अधिकांश आवेदनों में नोबल मेटल एनपीएस (एनएनपीएस) या तो प्रवाहकीय (उदाहरणार्थ-ग्राफीन) या अर्धचालक (जैसे, TiO2) सब्सट्रेट पर जमा किए जाते हैं । दोनों ही मामलों में, धातु संचार आमतौर पर सब्सट्रेट की उपस्थिति में कम कर रहे हैं, और कटौती तकनीक एक विधि से दूसरे करने के लिए अलग है.
एनएनपीएस के निक्षेपण के लिए उनके cations की कमी के माध्यम से, इलेक्ट्रॉनों (उचित विद्युत क्षमता के साथ) प्रदान किया जाना चाहिए । कि दो तरह से किया जा सकता है: अंय रासायनिक प्रजातियों के ऑक्सीकरण द्वारा (एक कम करने के एजेंट)6,7 या एक बाहरी शक्ति के स्रोत से8। किसी भी स्थिति में, मोनोपरिक्षिप्त एनपीएस के सजातीय जमाव के लिए, (कम करने वाले) इलेक्ट्रॉनों के उत्पादन और अंतरण पर सख्त नियंत्रण लगाना आवश्यक है । यह बहुत मुश्किल है जब एक एजेंट को कम करने के बाद से वहां कटौती की प्रक्रिया पर वस्तुतः कोई नियंत्रण नहीं है एक बार reactants (cations और कम करने के एजेंट) मिलाया जाता है । इसके अलावा, एनपीएस कहीं भी और जरूरी नहीं कि लक्ष्य सब्सट्रेट पर फार्म कर सकते हैं । किसी बाह्य शक्ति स्रोत का उपयोग करते समय, प्रदत्त इलेक्ट्रॉनों की संख्या पर नियंत्रण बहुत बेहतर होता है, लेकिन एनपीएस केवल इलेक्ट्रोड सतह पर ही जमा किया जा सकता है ।
फोटोउत्प्रेरक निक्षेपण (पीडी) एक वैकल्पिक दृष्टिकोण है, जो (फोटो) इलेक्ट्रॉनों जनित की संख्या पर अधिक नियंत्रण प्रदान करता है क्योंकि यह सीधे प्रबुद्ध फोटॉनों की खुराक से संबंधित है (एक उचित तरंग दैर्ध्य के साथ) । इस विधि में, सब्सट्रेट सामग्री एक दोहरी भूमिका है; यह इलेक्ट्रॉनों को घटाकर9 प्रदान करता है और बनाई गई एनपीएस10को स्थिर कर देता है । इसके अलावा, एनपीएस केवल सब्सट्रेट पर ही होता है क्योंकि इलेक्ट्रॉन सब्सट्रेट द्वारा उत्पन्न होते हैं । संयुक्त घटकों के बीच एक उचित विद्युत कनेक्शन (photoउत्प्रेरक कमी विधि द्वारा बनाई गई) भी11की गारंटी है । फिर भी, पारंपरिक फोटोउत्प्रेरक निक्षेपण विधियों में, जिसमें प्रतिक्रियात्मक (प्रकाशउत्प्रेरक और धातु धनायन) के पूरे बैच को एक साथ प्रकाशित किया जाता है, एनएनपीएस के नाभिकरण पर कोई नियंत्रण नहीं है । वास्तव में, एक बार कुछ कणों (नाभिक) का गठन कर रहे हैं, वे photogenerated5 इलेक्ट्रॉनों के लिए पसंदीदा स्थानांतरण साइटों के रूप में कार्य और एक पसंदीदा विकास स्थल के रूप में कार्य करते हैं । यह बेहतर इलेक्ट्रॉन अंतरण मौजूदा कणों के विकास को बढ़ावा देता है और नए नाभिक के निर्माण को प्रोत्साहित करता है, जिसके परिणामस्वरूप बड़े एनएनपीएस का निर्माण होता है । इस समस्या को एक विशेष सतत प्रवाह रिएक्टर (चित्रा 1) है कि हाल ही में हमारे12समूह द्वारा विकसित किया गया है में यूवी प्रकाश के स्पंदित रोशनी द्वारा संबोधित किया जा सकता है । इस रिएक्टर की अनूठी विशेषता यह है कि यह दोनों NP-आकार निर्धारण कारकों को नियंत्रित करने के लिए शोधकर्ताओं की अनुमति देता है, अर्थात्, नाभिकरण और विकास । इस रिएक्टर में, reactants का एक बहुत छोटा सा हिस्सा समय की एक बहुत ही कम अवधि के लिए प्रबुद्ध है, नाभिक के गठन को बढ़ावा देने (अधिक नाभिक का गठन कर रहे हैं) और वृद्धि को प्रतिबंधित (छोटे कणों प्राप्त कर रहे हैं). इस विधि में, प्रकाश खुराक को नियंत्रित करने के द्वारा (यानी, जोखिम अवधि का समायोजन करके [रिएक्शन ट्यूब के उजागर भागों की लंबाई बदलने; चित्रा 1 ग] या घटना प्रकाश की तीव्रता [लैंप की संख्या]), photogenerated इलेक्ट्रॉनों की संख्या पर एक बहुत ही सटीक नियंत्रण और, फलस्वरूप, कटौती की प्रक्रिया (एनएनपी जमाव) पर लागू किया जा सकता है ।
चित्रा 1 : निर्मित photoउत्प्रेरक बयान रिएक्टर । (क) रिएक्टर । (ख) प्रकाश कक्ष के अंदर । (ग) 5 सेमी x 1 सेमी रोशनी एक्सपोजर लंबाई के साथ एक क्वार्ट्ज ट्यूब । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
एनएनपीएस के नियंत्रित जमाव के लिए पीडी पद्धति की काफी संभावनाएं होने के बावजूद, इसका अनुप्रयोग अर्धप्रयोग सामग्री तक ही सीमित है । सौभाग्य से, यह ग्राफीन में एक व्यापक बैंड अंतर को खोलने के लिए संभव है (एक सबसे अच्छा का आयोजन substrates13) अपने सरल रासायनिक functionalization द्वारा । इसके बाद, इन कार्यात्मक समूहों (FGs) ज्यादातर हटाया जा सकता है और परिणामी ग्राफीन अभी भी अनुप्रयोगों के अधिकांश के लिए पर्याप्त प्रवाहकीय होगा । ग्राफीन के कई functionalized डेरिवेटिव के अलावा, ग्राफीन ऑक्साइड (GO), जो काफी अर्धकालीन संपत्तियों को दर्शाती है14, इस उद्देश्य के लिए सबसे होनहार उंमीदवार है । यह मुख्य रूप से तथ्य यह है कि जाओ उत्पादन दूसरों के बीच सबसे अधिक उत्पादन उपज है के कारण है । फिर भी, के बाद से जाना FGs के विभिंन प्रकार के होते हैं, इसकी रासायनिक संरचना यूवी रोशनी के तहत लगातार बदलता रहता है । हमने हाल ही में दिखाया है कि कमजोर बंधुआ FGs के एक चयनात्मक हटाने के द्वारा (आंशिक कमी; Prgo), रासायनिक संरचना और GO के इलेक्ट्रॉनिक गुण स्थिर किया जा सकता है, जो nnps12के सजातीय जमाव के लिए एक आवश्यक आवश्यकता है । इस रिपोर्ट में, हम रिएक्टर की संरचना का वर्णन और इसकी प्रतिकृति और संचालन के लिए विस्तृत जानकारी प्रदान करते हैं । बयान तंत्र (रिएक्टर के कार्य तंत्र) और संभव अनुकूलन रणनीतियों भी महान विस्तार से चर्चा कर रहे हैं । दोनों प्रकार के सामान्य substrates (कंडक्टर और अर्धचालक) और अलग NNPs के लिए विकसित पीडी रिएक्टर की प्रयोज्यता को मान्य करने के लिए, PRGO और TiO2पर प्लैटिनम का जमाव, साथ ही tio2पर सोने का प्रदर्शन किया है । यह उल्लेखनीय है कि धातु, photocatalyst और अग्रदूत सामग्री (जैसे, नमक, छेद मेहतर), और फैलाव मीडिया, कई अंय धातुई कणों (जैसे एजी और पीडी15) भी जमा किया जा सकता है की एक उचित चयन द्वारा । सैद्धांतिक रूप से, एनएनपीएस के photodeposition में, धातु की संचार photodeposition इलेक्ट्रॉनों द्वारा कम कर रहे हैं-सेमीकंडक्टर के चालन बैंड ंयूनतम (सीबीएम) के ऊर्जा स्तर के साथ मेल खाना चाहिए (से अधिक नकारात्मक हो) की कमी की क्षमता उद्देश्य cations । व्यापक तकनीकी उत्पादन पहलुओं के कारण, PRGO के संश्लेषण भी विस्तार से वर्णित है । रासायनिक संरचना और PRGO के इलेक्ट्रॉनिक गुणों के बारे में अधिक जानकारी के लिए, कृपया पिछले12काम का संदर्भ लें ।
रिएक्टर की विस्तृत संरचना को चित्र 2में योजनाबद्ध रूप से दर्शाया गया है । इस रिएक्टर में दो मुख्य घटक हैं-एक यूवी प्रदीप्ति और एक जलाशय कम्पार्टमेंट । प्रदीप्ति अनुभाग एक क्वार्ट्ज ट्यूब, जो बिल्कुल एक पॉलिश एल्यूमीनियम लाइनर के साथ एक बेलनाकार ट्यूब के केंद्रीय अक्ष के साथ तय है के होते हैं । जलाशय में गैस और द्रव (reactants) इनलेट्स और आउटलेट्स के साथ 1 L सीलबंद कैप ग्लास बोतल शामिल है । ट्यूबों डालने के लिए एक खुले शीर्ष पेंच टोपी के साथ एक सिलिकॉन पट का उपयोग करें । ऑक्सीजन के रिएक्टर में प्रवेश के बिना प्रतिक्रिया के दौरान नमूने लेने के लिए, एक वाल्व के साथ एक आउटलेट भी स्थापित किया गया है । यह यहां उल्लेख किया जाना चाहिए कि विशिष्ट समय अंतराल पर सैंपलिंग nanocomposite उत्पादन प्रक्रिया का हिस्सा नहीं हैं, और केवल नमूना संश्लेषण मापदंडों के प्रत्येक सेट के लिए एकाग्रता समय घटता प्राप्त करने के लिए एक बार किया जा करने की जरूरत है (आवेदन इन घटता चर्चा खंड में चर्चा की जाएगी) । जलाशय एक बर्फ पानी स्नान के अंदर रखा गया है, जबकि जोरदार एक चुंबकीय विलोडक पर मिलाया जा रहा है । एक चुंबकीय पंप जलाशय से रिएक्शन चैंबर (प्रदीप्ति खंड) और वापस जलाशय में अभिक्रियक को परिचालित करता है । एक चुंबकीय एक के बाद से उच्च प्रवाह दर आवश्यक है (इस काम में प्रवाह की दर = 16 L · मिनट-1) और सिकुड़नेवाला पंपों (या अंय समान पंपों) शायद ही उन प्रवाह प्रदान कर सकते है प्रयोग किया जाता है । जब एक चुंबकीय पंप का उपयोग कर, देखभाल के लिए पूरी तरह से प्रतिक्रियाशील तरल के साथ उत्तेजित करनेवाला आवरण (पंप आवास) को भरने और किसी भी फंस हवा खाली (ऑक्सीजन स्रोत) लिया जाना चाहिए । फंस हवा भी पंप के वास्तविक प्रवाह की दर में कमी कर सकते हैं ।
Photocatalyst सामग्री के एक स्पंदित उत्तेजना के लिए, क्वार्ट्ज ट्यूब की विशिष्ट लंबाई एक मोटी एल्यूमीनियम पन्नी द्वारा कवर कर रहे हैं, उनके बीच बराबर लंबाई छोड़ने (चित्रा 2). स्पंदित उत्तेजन की अवधि को अनावृत भागों (एक्सपोज़र लंबाई) की लंबाई बदलकर समायोजित किया जा सकता है । इष्टतम जोखिम लंबाई विभिन्न मापदंडों के द्वारा निर्धारित की जाती है, जैसे कि photocatalyst की क्वांटम उपज और इरादा एनपी लोडिंग (पूर्ववर्ती की एकाग्रता; चर्चा देखें).
Protocol
Representative Results
Discussion
नैनोकणों महान धातु आधारित उत्प्रेरक का सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया रूप हैं । लगभग सभी मामलों में, एनएनपीएस या तो प्रवाहकीय या अर्धचालक समर्थन सामग्री पर जमा किया जाता है । इस संकरण ज्यादातर इरादा…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों को सभी सहायता प्रदान करने के लिए Sabanci विश्वविद्यालय और स्विस संघीय प्रयोगशालाओं सामग्री विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Empa) के लिए शुक्रिया अदा करना चाहूंगा ।
Materials
| Chloroplatinic acid solution | Sigma Aldrich | 262587-50ML | |
| Hydrogen tetrachloroaurate(III) hydrate | Alfa Aesar | 12325.03 | |
| TiO2 Nanopowder (TiO2, anatase, 99.9%, 100nm) | US research nanomaterials | US3411 | |
| Graphite powder | Alfa Aesar | 10129 | |
| Sulfuric acid | Sigma Aldrich | 1120802500 | |
| Hydrogen peroxide | Sigma Aldrich | H1009-100ML | |
| L-Ascorbic acid | Sigma Aldrich | A92902-500G | |
| Hydrochloric acid | Sigma Aldrich | 320331-2.5L | |
| Sodium hydroxide | Sigma Aldrich | S5881-1KG | |
| Potassium permanganate | Merck | 1050821000 | |
| Corning® Silicone Septa for GL45 Screw Cap | Sigma Aldrich (Corning) | CLS139545SS | |
| Polyvinyl chloride pipe | Koctas | UV-Reactor casing | |
| Fuded silica (Quartz) tube | Technical Glass Products | ||
| UV−C lamps | Philips | TUV PL-L 55W/4P HF 1CT/25 |
References
- Okitsu, K., Mizukoshi, Y., Ashokkumar, M. Catalytic Applications of Noble Metal Nanoparticles Produced by Sonochemical Reduction of Noble Metal Ions. Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry. , 325-363 (2016).
- Shakoori Oskooie, M., Menceloglu, Y. Z., Unal, S., Hayat Soytas, S. Rapid Microwave-assisted Synthesis of Platinum Nanoparticles Immobilized in Electrospun Carbon Nanofibers for Electrochemical Catalysis. ACS Applied Nano Materials. , (2018).
- Kaplan, B. Y., et al. Graphene: A Promising Catalyst Support for Oxygen Reduction Reaction in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells. ECS Meeting Abstracts. , (2018).
- Iliev, V., Tomova, D., Bilyarska, L., Eliyas, A., Petrov, L. Photocatalytic properties of TiO2 modified with platinum and silver nanoparticles in the degradation of oxalic acid in aqueous solution. Applied Catalysis B: Environmental. 63, 266-271 (2006).
- Bumajdad, A., Madkour, M. Understanding the superior photocatalytic activity of noble metals modified titania under UV and visible light irradiation. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 7146 (2014).
- Şanlı, L. I., Bayram, V., Yarar, B., Ghobadi, S., Gürsel, S. A. Development of graphene supported platinum nanoparticles for polymer electrolyte membrane fuel cells: Effect of support type and impregnation-reduction methods. International Journal of Hydrogen Energy. 41, 3414-3427 (2016).
- Işıkel Şanlı, L., Bayram, V., Ghobadi, S., Düzen, N., Gürsel, S. A. Engineered catalyst layer design with graphene-carbon black hybrid supports for enhanced platinum utilization in PEM fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 42, 1085-1092 (2017).
- Domínguez-Domínguez, S., Arias-Pardilla, J., Berenguer-Murcia, &. #. 1. 9. 3. ;., Morallón, E., Cazorla-Amorós, D. Electrochemical deposition of platinum nanoparticles on different carbon supports and conducting polymers. Journal of Applied Electrochemistry. 38, 259-268 (2008).
- Pan, X., Xu, Y. -. J. Defect-Mediated Growth of Noble-Metal (Ag, Pt, and Pd) Nanoparticles on TiO2 with Oxygen Vacancies for Photocatalytic Redox Reactions under Visible Light. The Journal of Physical Chemistry C. 117, 17996-18005 (2013).
- Zhang, Y., Zhang, N., Tang, Z. -. R., Xu, Y. -. J. Graphene Oxide as a Surfactant and Support for In-Situ Synthesis of Au-Pd Nanoalloys with Improved Visible Light Photocatalytic Activity. The Journal of Physical Chemistry C. 118, 5299-5308 (2014).
- Abdolhosseinzadeh, S., Asgharzadeh, H., Sadighikia, S., Khataee, A. UV-assisted synthesis of reduced graphene oxide-ZnO nanorod composites immobilized on Zn foil with enhanced photocatalytic performance. Research on Chemical Intermediates. 42, 4479-4496 (2016).
- Abdolhosseinzadeh, S., Sadighikia, S., Gürsel, S. A. Scalable Synthesis of Sub-Nanosized Platinum-Reduced Graphene Oxide Composite by an Ultraprecise Photocatalytic Method. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 3773-3782 (2018).
- Zhang, N., Yang, M. -. Q., Liu, S., Sun, Y., Xu, Y. -. J. Waltzing with the Versatile Platform of Graphene to Synthesize Composite Photocatalysts. Chemical Reviews. 115, 10307-10377 (2015).
- Han, C., Zhang, N., Xu, Y. -. J. Structural diversity of graphene materials and their multifarious roles in heterogeneous photocatalysis. Nano Today. 11, 351-372 (2016).
- Abdolhosseinzadeh, S. . Bandgap Modulation of Graphene Oxide and Its Application in the Photocatalytic Deposition of Metallic Nanoparticles. , (2017).
- Abdolhosseinzadeh, S., et al. Fast and fully-scalable synthesis of reduced graphene oxide. Scientific Reports. 5, 10160 (2015).
- Ma, Y., Wei, X. Determination of platinum in waste platinum-loaded carbon catalyst samples using microwave-assisted sample digestion and ICP-OES. AIP Conference Proceedings. 1829 (1), 020008 (2017).
- Sevilla, M., Sanchís, C., Valdés-Solís, T., Morallón, E., Fuertes, A. B. Highly dispersed platinum nanoparticles on carbon nanocoils and their electrocatalytic performance for fuel cell reactions. Electrochimica Acta. 54, 2234-2238 (2009).
- de Sá, D. S., et al. Intensification of photocatalytic degradation of organic dyes and phenol by scale-up and numbering-up of meso- and microfluidic TiO2 reactors for wastewater treatment. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 364, 59-75 (2018).
- Kononova, O. N., Leyman, T. A., Melnikov, A. M., Kashirin, D. M., Tselukovskaya, M. M. Ion exchange recovery of platinum from chloride solutions. Hydrometallurgy. 100, 161-167 (2010).
