금속 나노 입자의 정확 하 게 제어 증 착에 대 한 연속 흐름 촉매 반응 기
Summary
고귀한 금속 기반의 나노 복합 재료의 지속적이 고 확장 가능한 합성에 대 한 새로운 촉매 반응 기 개발 하 고 그것의 구조, 동작 원리, 및 제품 품질 최적화 전략 설명.
Abstract
이 작품에서 광 촉매의 펄스와 제어 여기 및 금속 나노 입자의 정확한 증 착에 대 한 새로운 촉매 반응 기 개발 된다. 원자로 및 그 운영의 복제에 대 한 지침 자세히 제공 됩니다. 3 다른 복합 시스템 (Pt/그래, Pt/티 오2및 Au/티 오2) 단 분산와 균일 하 게 분산된 입자 합성 최적화 전략 뿐만 아니라이 반응 기, 그리고 photodeposition 메커니즘에 의해 생성 된다 설명 되어 있습니다. 합성 방법 및 그들의 기술적인 측면을 포괄적으로 설명 되어 있습니다. Photodeposition 프로세스에 (각 구동 펄스)에서 자외선 (UV) 복용량의 역할은 조사 하 고 각 복합 시스템에 대 한 최적의 값이 제공 됩니다.
Introduction
금속 나노 입자, 특히 귀금속 (예를들면, Pt, Au, Pd) 촉매1광대 한 응용 프로그램 있다. 일반적으로, 비용 (무게) 상수를 유지 하면서 그들의 촉매 활동을 증가 (NPs) 나노 입자의 크기를 감소 하지만 그것은 또한 그들의 응용 프로그램을 더 어렵게 만든다. NPs (보통 10 보다 작은 nm) 집계, 그들의 촉매 활동 저하에 큰 추세는 그러나, 적당 한 기판에 immobilization 대부분이 문제를 해결할 수 있습니다. 또한, 응용 프로그램 종류 (예: electrocatalysis)에 그것은 때때로 전도성 기판2,3에 NPs를 무력화 하는 데 필요한. NPs는 쇼트 키 장벽을 형성을 방지 (지연) 전자 구멍 재결합 (전자 트랩 역할)4,5반도체는 때 교배도 수 있습니다. 따라서, 응용 프로그램의 대부분에서는, 고귀한 금속 NPs (NNPs)는 한 전도성에 입금 (예: 그래 핀)는 semiconductive 또는 (예를 들어, 티 오2) 기판. 두 경우 모두, 금속 양이온 일반적으로 기판의 면 전에 서 감소 하 고 감소 기술 한 방법에서 다른 다릅니다.
그들의 수의 감소를 통해 NNPs의 증 착, 전자 (와 함께 적절 한 전기 잠재력)을 제공 한다. 그 두 가지 방법으로 행 해질 수 있다: 다른 화학 종 (원제)6,7 의 또는 외부 전원 소스8에서 산화 하 여. 어떤 경우에, monodispersed NPs의 균질 증 착에 대 한 그것은 엄격한 컨트롤 생성 및 전송 (줄이는) 전자의에 부과 하는 데 필요한. 환 원제 (양이온 및 환 원제) 반응 혼합은 일단 거의 제어할 수 없으며 감소 과정 이후 사용 하는 경우 매우 어렵습니다. 또한 NPs에서 형성할 수 있다 대상 기판에 반드시. 외부 전원 소스를 사용할 때는 제공 된 전자의 수는 제어 훨씬 낫다, 하지만 NPs만 전극 표면에 예금 될 수 있다.
촉매 증 착 (PD) 이후 (적절 한 파장)와 조명된 광자의 복용량에 직접 관련 되어 더 (사진)의 수를 제어할 제공 하는 전자를 생성, 다른 접근 방법입니다. 이 방법에서는, 기판 소재는 이중 역할; 그것은 줄이는 전자9 를 제공 하 고 구성 된 NPs10안정화. 또한, 이후 전자 기판에만 NPs 형태는 기판에 의해 생성 됩니다. 복합 구성 요소 (촉매 감소 방법에 의해 만들어진) 사이의 적절 한 전기 연결 또한11을보장 됩니다. 그럼에도 불구 하 고, 기존의 촉매 증 착 방법 있는 반응 (광 촉매와 금속 양이온)의 전체 배치는 동시에 조명 되는 NNPs의 nucleation 통제할이 있다. 사실, 몇 가지 입자 (핵) 형성 되, 일단 그들은 photogenerated 전자5 에 대 한 기본 전송 사이트 역할 고 선호 성장 사이트 역할. 이 우수한 전자 전송 기존 입자의 성장을 촉진 하 고 disfavors 큰 NNPs의 대형 귀착되는 새로운 핵의 형성. UV는 특별 한 연속 흐름 반응 기에서 (그림 1) 최근 우리의 그룹12에 의해 개발 된 빛의 펄스 조명 하 여이 문제를 해결할 수 있습니다. 이 원자로의 독특한 기능은 그것은 즉 두 NP 크기 결정 하는 요소를 제어 하는 연구자, nucleation 및 성장 수 있습니다. 이 반응 기에서 반응의 아주 작은 부분 (더 많은 핵 형성) 핵의 형성을 촉진 하 고 성장 (작은 입자는 달성) 제한 시간이 매우 짧은 기간에 대 한 조명입니다. 이 방법에서는, (즉, 노출 기간 [변경 반응 관; 발견 부분의 길이 조정 하 여 조명 복용량을 조절 하 여 그림 1 C] 또는 [램프의 수] 입사광의 강도), 아주 정밀 하 게 제어할 수 photogenerated 전자, 따라서 감소 프로세스 (NNP 증 착)에 발휘 될 수 있다.
그림 1 : 조작된 촉매 증 착 반응 기. (A)는 원자로입니다. (B) 챔버 내부에 조명. (C) A 석 영 튜브 5 cm x 1cm 조명 노출 길이. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
NNPs의 제어 증 착에 대 한 PD 방법의 중대 한 잠재력에도 불구 하 고 그 응용 프로그램은 반도체 재료에 제한 됩니다. 다행히도, 그것은 그것의 간단한 화학적 기능화 여 (베스트 전도 기판13중 하나) 그래 핀에서 넓은 밴드 갭을 열 수 있습니다. 그 후, 이러한 기능 그룹 (FGs) 대부분 제거 될 수 있다 고 결과 그래 핀 응용 프로그램의 대부분을 위해 충분히 전도성이 있을 것입니다. 그래 핀의 수많은 기능성된 파생 상품 중 그래 핀 산화물 (이동), 전시 상당한 반도체 속성14,이 목적에 대 한 가장 유망한 후보자 이다. 이건 이동의 생산은 높은 생산 다른 사람 사이에서 양보는 사실 때문에 주로. 그럼에도 불구 하 고, 이후 다른 유형의 FGs 이동에 의하여 이루어져 있다, 그것의 화학 성분 변화 한다 지속적으로 UV 조명의 밑에. 우리 최근 것으로 나타났습니다 약하게 보 세 FGs (부분 감소;의 선택적 제거 PRGO), 화학 구조와 이동의 전자 속성 수 안정화 될, NNPs12의 균질 증언에 대 한 필수 요구 사항입니다. 이 보고서에서 우리는 원자로의 구조를 설명 하 고 복제 및 운영에 대 한 자세한 정보를 제공. (반응 기의 메커니즘 작동) 증 착 메커니즘 및 가능한 최적화 전략 또한 아주 자세하게에서 설명 되어 있습니다. 개발된 PD의 적용 가능성 유효성을 검사 하려면 두 유형의 일반적인 기판 (도체와 반도체) 및 다른 NNPs, PRGO 및 티 오2, 백 금 뿐만 아니라 티 오2, 골드의 증 착 반응 기는 보여 줍니다. 그것은 그 금속, 광 촉매 및 전조 물질 (예: 소금, 홀 청소) 및 분산 미디어의 적절 한 선택에 의해 (Ag와 Pd15) 등 다른 여러 가지 금속 입자 또한 입금 하실 수 있습니다 주목 된다. 원리에서-반도체의 전도 대 최소 (CBM)의 에너지 레벨을 일치 해야 NNPs photodeposition 금속 양이온이 전자는 photoexcited에 의해 감소 되기 때문 (보다 더 많은 부정적인 것)의 감소 잠재력은 위한 양이온입니다. 광범위 한 기술 생산 측면 때문에 PRGO의 합성도 자세히 설명 되어 있습니다. 대 한 화학 구조와 PRGO의 전자 속성에 관한 자세한 내용은, 이전 작업12를 참조 하십시오.
원자로의 자세한 구조는 그림2에서 개요로 묘사 된다. 반응 기는 두 가지 주요 구성 요소: 자외선 조명 및 저수지 구획. 세련 된 알루미늄 라이너 원통형 튜브의 중앙 축을 따라 정확 하 게 고정 석 영 튜브 조명 섹션에 의하여 이루어져 있다. 가스와 액체 (반응) 후미와 출구 1 L 밀폐 뚜껑 유리 병 저수지에 의하여 이루어져 있다. 오픈 탑 나사 모자와 실리콘 심장을 사용 하 여 튜브를 삽입. 산소 원자로 입력 없이 반응 중 샘플을 받아, 밸브 콘센트 설치 됩니다. 특정 시간 간격에 samplings 나노 생산 공정의 일부가 되지 않습니다 고만 샘플링을 해야 한 번 종합 매개 변수 (응용 프로그램의 각 집합에 대 한 농도-시간 곡선을 얻기 위해 여기 언급 되어야 합니다. 이러한 곡선 것입니다 논의 토론 섹션에서). 저수지는 자력에 적극적으로 혼합 되는 동안 얼음 물을 욕조 안에 배치 됩니다. 마그네틱 펌프 순환 반응 챔버 (조명 섹션)을 다시 저수지는 저수지에서 반응. 자기 하나 때문에 높은 흐름 율은 필요한 사용 됩니다 (이 작품의 흐름 속도 = 16 L·min-1) 연동 펌프 (또는 다른 유사한 펌프) 거의 그 흐름을 제공할 수 있습니다. 마그네틱 펌프를 사용 하 여, 완전히 생성물 액체와 임 펠 러 케이스 (펌프 하우징)를 작성 하 고 어떤 덫을 놓은 공기 (산소 소스)를 철수 하 배려를 취해야 한다. 갇힌된 공기 또한 펌프의 실제 유량을 줄일 수 있습니다.
펄스 여기 광 촉매 소재, 석 영 튜브의 특정 길이의 두꺼운 알루미늄 호 일에 의해 보호 됩니다에 대 한 그들 사이 동등한 길이 떠나 (그림 2)을 발견 했다. 펄스 여기 기간 발견된 부분 (노출 길이)의 길이 변경 하 여 조정할 수 있습니다. 최적의 노출 길이 광 촉매와 의도 NP 로드 (선구자의 농도; 보십시오 토론)의 양자 수율 등 다양 한 매개 변수에 의해 결정 됩니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
나노 입자 노블 금속 기반의 촉매의 가장 널리 사용 된 형태입니다. 거의 모든 경우에, NNPs는 전도성 또는 semiconductive 지원 자료에 입금 됩니다. 이 교 잡 주로 의도 기판 (재료)의 고귀한 금속 양이온의 감소에 의해 이루어집니다. 따라서, NNP 기반 나노의 생산에 대 한 성공적인 합성 방법을 적어도 두 가지 주요 요구 사항을 충족 해야 합니다: 1)는 양이온의 감소 해야 효율적이 고 완전 한; 2)는 증 ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 제공 하는 모든 지원에 대 한 재료 과학 및 기술 (Empa) Sabanci 대학과 스위스 연방 연구소를 감사 하 고 싶습니다.
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
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