Metalik nano tanecikleri tam kontrollü birikimi için sürekli akış Fotokatalitik reaktör
Summary
Asil-metal tabanlı nanokompozitlerin sürekli ve ölçeklenebilir sentezi için bir roman Fotokatalitik reaktör geliştirilen ve yapısı, çalışma ilkeleri ve ürün kalitesi optimizasyon stratejileri açıklanmıştır.
Abstract
Bu çalışmada, bir roman Fotokatalitik reaktör photocatalyst pulsed ve kontrollü uyarma ve metalik nano tanecikleri kesin birikimi için geliştirilmiştir. Reaktör ve faaliyete çoğaltılması için kuralları ayrıntılı olarak temin edilmektedir. Üç farklı kompozit sistemleri (Pt/grafen, Pt/TiO2ve Au/TiO2) ile monodisperse ve düzgün dağıtılmış parçacıklar sentez optimizasyon stratejisi gibi bu reaktör ve photodeposition mekanizması tarafından üretilen, ele alınmıştır. Sentez yöntemleri ve onların teknik özellikleri kapsamlı bir şekilde açıklanmıştır. Ultraviyole (UV) doz (her uyarma darbe) photodeposition süreci rolü incelenmiş ve bileşik her sistem için en uygun değerler sağlanır.
Introduction
Metalik nano tanecikleri, özellikle asil metaller (örneğin, Pt, Au, Pd) kataliz1‘ büyük uygulamalar var. Genel olarak, nano tanecikleri (NPs) boyutunu küçültme katalitik faaliyetlerini maliyet (ağırlık) sabit koruyarak artırır, ancak aynı zamanda daha uygulanmasını güçleştirir. NPs (genellikle 10 daha küçük nm) katalitik faaliyetlerini; alçaltır toplama için büyük eğilimleri var Ancak, immobilizasyon uygun yüzeyler üzerinde çoğunlukla bu sorunu çözebilirsiniz. Ayrıca, uygulama türüne bağlı olarak (örneğin, electrocatalysis), bazen NPs iletken yüzeylerde2,3hareketsiz gereklidir. NPs Ayrıca Schottky bariyer oluşturmak ve (gecikme) elektron delikli rekombinasyon (elektron tuzakları vekil)4,5önlemek için yarı iletkenler ile melezleşmiştir. Bu nedenle, uygulamaların çoğunda, noble metal NPs (NNPs) olan bir iletken üzerine yatırılır (örneğin, grafen) veya bir semiconductive (örneğin, TiO2) substrat. Her iki durumda da, metal katyonlar genellikle huzurunda substrat azalır ve bir yöntemden diğerine azaltma tekniği farklıdır.
Onların katyonlar bir azalma ile NNPs ifade için elektron (uygun elektrik potansiyeli ile) sağlanmalıdır. İki yolla yapılabilir: oksidasyon diğer kimyasal türler (bir indirgeyici)6,7 ‘ nin veya bir harici güç kaynağı8tarafından. Her durumda, monodispersed NPs homojen ifade için üretimi ve (azalan) elektron transferi sıkı bir denetimi empoze gereklidir. Beri hemen hemen azaltma işleminin kontrolü (katyonlar ve indirgeyici) Reaktanları karışınca bir indirgeyici kullanıldığında bunun çok zor olduğunu. Ayrıca, NPs herhangi bir yerde oluşabilir ve hedef substrat şart değil. Bir harici güç kaynağı kullanırken sağlanan elektron sayısı üzerinde kontrol daha iyidir, ancak NPs yalnızca bir elektrot yüzeyinde yatırılır.
Fotokatalitik ifade (PD), doğrudan ışıklı fotonlar (ile uygun dalga boyu) doz ilgili bu yana daha fazla (fotoğraf) sayısı üzerinden kontrol sunuyor elektron oluşturulan alternatif bir yaklaşımdır. Bu yöntemde, substrat malzeme ikili bir rol vardır; azalan bakiyeli elektron9 sağlar ve kurulan NPs10stabilize. Ayrıca, NPs yalnızca alt katman elektron beri formunda substrat tarafından oluşturulur. Bileşik bileşenler (Fotokatalitik azaltma yöntemi tarafından yapılan) arasında uygun bir elektrik bağlantı da11garantilidir. Yine de, geleneksel Fotokatalitik ifade yöntemleri, hangi aynı anda Reaktanları (photocatalyst ve metal katyon) tüm toplu yandığından NNPs çekirdekleşme üzerinde herhangi bir kontrolü var. Gerçekten de, bir kez birkaç parçacıklar (çekirdek) oluşur, onlar photogenerated elektron5 için tercih edilen aktarım siteleri olarak hareket ve tercih edilen büyüme site olarak hareket. Bu üstün elektron transferi varolan parçacıklar büyümesini destekler ve büyük NNPs oluşumuna neden olan yeni çekirdek oluşumu disfavors. Bu sorun, UV ışığı son zamanlarda bizim grup12tarafından geliştirilen özel bir sürekli akış reaktör (şekil 1) içinde darbeli aydınlatma tarafından saptanabilir. Özelliği bu reaktör, yani her iki NP boyutunu belirleyen faktörlerin kontrolü araştırmacılar, çekirdekleşme ve büyüme vermesidir. Bu reaktörde Reaktanları çok küçük bir bölümünü (daha fazla çekirdeği oluşur) çekirdek oluşumu teşvik ve (daha küçük parçacıklar elde) büyüme kısıtlama zaman, çok kısa bir süre için aydınlatılır. Bu yöntem (örneğin, [tepki tüp; ele geçen bölümlerini uzunluğunu değiştirme pozlama süresi ayarlayarak aydınlatma doz kontrol ederek, Resim 1 C] veya olay ışığın [lambalar sayısı]), sayı photogenerated elektron ve sonuç olarak, azaltma süreci (NNP ifade) üzerinde çok kesin bir denetim sarf.
Resim 1 : Fabrikasyon Fotokatalitik ifade reaktör. (A) reaktör. (B) aydınlatma odası içinde. (C) A kuvars tüp 5 cm x 1 cm aydınlatma pozlama uzunluğu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
PD yöntemi NNPs kontrollü birikimi için büyük potansiyel rağmen uygulama için yarıiletken malzemeler sınırlıdır. Neyse ki, onun basit kimyasal functionalization tarafından grafen (bir en iyi iletken yüzeylerde13) bir geniş bant boşluk açmak mümkündür. Daha sonra bu fonksiyonel gruplar (FGs)-ebilmek var olmak çıkarmak çoğunlukla ve elde edilen Grafin-ecek hareketsiz var olmak yeterli için en-in belgili tanımlık kullanma iletken. Functionalized çok sayıda grafen türevleri arasında önemli yarıiletken özellikleri14sergiler, Grafin oksit (GO), bu amaç için en umut verici adaydır. Gerçeğini esas olarak diğerleri arasında verim yüksek üretim ‘s GO üretim vardır nedeni bu. Yine de, bu yana git FGs farklı türde oluşur, kimyasal kompozisyonunu UV ışık altında sürekli olarak değişir. Biz son zamanlarda zayıf gümrüklü FGs (kısmi azaltma; seçici bir kaldırma tarafından göstermiştir PRGO), kimyasal yapısı ve elektronik özellikleri go, NNPs12homojen ifadeleri için bir temel gereksinimi olan stabilize. Bu rapordaki reaktör yapısını tanımlamak ve onun çoğaltma ve işlem için ayrıntılı bilgi sağlar. İfade mekanizması (reaktör mekanizmasının çalışma) ve olası optimizasyon stratejileri de ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Gelişmiş PD uygulanabilirliği doğrulamak için reaktör ortak yüzeylerde (iletken ve yarı iletken) ve farklı NNPs, ifade PRGO ve TiO2platin, hem de altın TiO2, her iki tür için gösterilmiştir. Bu metal, photocatalyst ve öncü malzemeler (örneğin, tuz, deliği leşçi) ve dispersiyon ortamı uygun bir seçim tarafından da (Ag ve Pd15gibi) çeşitli metal parçacıklar yatırmış dikkat çekicidir. İlke-NNPs photodeposition içinde katyonlar metal elektronlar photoexcited tarafından azaltılır yana semiconductor’ın iletim bant en az (CBM) enerji düzeyi ile eşleşmelidir (daha fazla negatif olmak) azaltma potansiyeli yönelik özellikler. Kapsamlı teknik üretim yönleri nedeniyle PRGO sentezi de ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Kimyasal yapısı ve PRGO elektronik özellikleri ile ilgili daha fazla bilgi için lütfen önceki çalışma12‘ ye bakın.
Reaktör detaylı yapısının şematik Şekil 2‘ de tasvir edilir. Reaktör iki ana bileşenden oluşur: bir rezervuar bölme ve UV aydınlatma. Aydınlatma bölümü tam olarak silindirik tüp Merkezi ekseni boyunca parlak alüminyum liner ile sabit bir kuvars tüp oluşur. Havzanın 1 L kapalı kap cam şişe gaz ve sıvı (Reaktanları) giriş ve çıkışları ile oluşur. Silikon septum bir üstü açık vida kapaklı tüpler eklemek için kullanın. Örnekleri reaksiyonu sırasında oksijen reaktör girin izin olmadan almak, bir çıkış bir vana ile de yüklenir. Burada üzerinde belirli zaman aralıklarında örnekleme nanocomposite üretim sürecinin bir parçası değildir ve sadece örnekleme sentez parametreleri (uygulanması her kümesi için toplama zamanı eğriler elde etmek için bir kez yapılması gereken belirtilmelidir Bu eğrileri tartışma bölümünde ele alınacaktır). Havzanın şiddetle bir manyetik karıştırıcı karışık iken bir buz-su banyosu içinde yer alıyor. Manyetik bir pompa tepki Odası (aydınlatma bölümü) ve tekrar havzanın kontrollerimiz rezervuar dolaşır. Manyetik bir yüksek akış oranları gerekli olduğundan kullanılır (Bu iş akış hızı 16 L·min-1=) ve Peristaltik Pompalar (veya benzer diğer pompalar) pek bu akışı sağlayabilir. Manyetik bir pompa kullanırken, tamamen (pompa gövdesi) kasa fan kontrollerimiz sıvı ile doldurun ve herhangi bir kapana kısılmış hava (oksijen kaynağı) tahliye için özen gösterilmelidir. Kapana kısılmış hava da pompa’nın gerçek akış hızını düşürebilir.
Photocatalyst malzemenin belirli kuvars boru uzunlukları pulsed uyarma kaplı için kalın alüminyum folyo tarafından aralarında eşit uzunlukta bırakarak (Şekil 2) ortaya çıkardı. Darbeli uyarma süresi ortaya çıkarılan parçalar (pozlama uzunluğu) uzunluğunu değiştirerek ayarlanabilir. Optimum pozlama photocatalyst ve amaçlanan NP yükleme (öncüleri konsantrasyon; bkz: tartışma) kuantum verimi gibi çeşitli parametreleri tarafından belirlenir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nano tanecikleri noble-metal tabanlı katalizörler en çok kullanılan biçimidir. Hemen hemen tüm durumlarda, NNPs bir iletken veya bir semiconductive destek malzeme yatırılan. Bu hibridizasyon çoğunlukla noble metal amaçlanan substrat (malzeme) huzurunda katyonlar azaltma yapılır. Bu nedenle, başarılı sentez yöntemi NNP tabanlı nanocomposite üretimi için en az iki ana gereksinimlerini karşılamak: 1) katyonlar azalma-meli var olmak etkili ve tam; 2) ifade oranı, konumu ve kontrol edilebilir olmalıdı…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar verdiği destek için Sabancı Üniversitesi ve İsviçre Federal laboratuvar Malzeme Bilimi ve teknolojisi (Empa) için teşekkür etmek istiyorum.
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).
