Fotochemische oxidatieve groei van Iridium Oxide Nanodeeltjes op 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
Fotokatalyse is een aantrekkelijke en veelbelovende oplossing voor de opwekking van duurzame energie en andere milieu-toepassingen, zoals waterzuivering en luchtzuivering 1-3. Over het algemeen het splitsen van water, aangedreven door zonne-energie, kan een bron van schone en hernieuwbare brandstof waterstof zijn; Ondanks tientallen jaren van onderzoek, systemen die voldoende stabiel en efficiënt zijn voor praktische toepassing nog niet gerealiseerd.
Zowel photodeposition en halfgeleider-fotokatalyse gemedieerde vertrouwen op hetzelfde mechanisme scheiden foto-gegenereerde electron-gat paren en rijden ze naar het oppervlak waar ze redox reacties kunnen initiëren. De overeenkomsten tussen deze twee processen maken photodeposition een aantrekkelijk synthetisch instrument voor het gebied van de fotokatalyse 4-6. Deze methode zal naar verwachting fotokatalysator productie nemen van nieuwe en onontgonnen grenzen. Het kan potentieel bieden ongerepte controle over de ruimtelijke ordeningvan de verschillende componenten in een heterostructuren, en vooraf de mogelijkheid om geavanceerde nanodeeltjes systemen te bouwen. Uiteindelijk is de methode brengt ons een stap dichter bij het realiseren van een efficiënte photocatalyst voor de directe zonne-to-fuel energieomzetting.
We onderzochten de groei van IrO 2 als een co-katalysator, zoals bekend een efficiënte katalysator voor wateroxidatie 7-11 zijn. Een afstembare structuur van quantum dot (CdSe) ingebed in een staaf (cadmium sulfide) 12,13 werd als onze fotokatalysator substraat 14,15. Het is nog niet bepaald of de oxidatieve route verloopt via een gemedieerde route of via een directe aanval gat. Hier kunnen onze kennis en controle over de photogenerated gaten in de halfgeleider heterostructuur worden benut voor een mechanistische studie van oxidatiereacties. Dit wordt mogelijk gemaakt door het substraat architectuur die lokalisatie vergemakkelijkt van beperkte openingen 16,17 en de vorming van eenverschillende oxidatiereactie plaats op de stang. Het gebruik van nanomaterialen met gelokaliseerde ladingsdragers kan worden benut mechanistische studies van redoxreacties door eenvoudige behandeling van de producten. Zo photodeposition kan worden gebruikt als een unieke probe zowel reductie en oxidatie reactiepaden. Dit is een voorbeeld van de nieuwe en spannende mogelijkheden geboden door de combinatie van photodeposition en cutting edge colloïdale synthese 18-20.
De zoektocht naar een efficiënte photocatalyst voor het splitsen van water en de omzetting van duurzame energie te ontwikkelen is een belangrijke duw in de materialen gemeenschap. Dit wereldwijde belangstelling CdS, waarvan bekend is hoogactieve waterstofproductie worden gestimuleerd, maar het wordt belemmerd door fotochemische instabiliteit. Ons werk behandelt hier de achilleshiel van het materiaal. IrO 2 ingericht CdSe @ CdS staven tonen opmerkelijke fotochemische stabiliteit onder langdurige verlichting in purewater.
Protocol
Representative Results
Discussion
De synthese van CdSe zaden en CdSe @ CdS gezaaid staven is goed bestudeerd 21,24,25. Lichte wijzigingen van de hoeveelheden, temperaturen en tijden voor de stappen van de synthese van deze substraatdeeltjes kunnen worden gebruikt wordt om de lengte, diameter en / of morfologie. De synthetische protocol hierin beschreven levert zeer fotoluminescerende zaadjes-staven van uniforme afmetingen.
Het ligand uitwisselingsprocedure maakt het gebruik van staven gezaaid in polaire omgevingen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de I-kernprogramma van de planning en budgettering Comité en de Israel Science Foundation (Grant No. 152/11). Wij danken de Schulich faculteit Scheikunde en de Technion – Israel Institute of Technology voor de gerenoveerde laboratorium en startup pakket. We danken ook de Royal Society of Chemistry om toestemming bij de aanpassing van materialen uit http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K voor gebruik in dit manuscript. Dr. Kalisman bedankt de Schulich postdoctoraal fellowship voor hun steun. Wij danken Dr. Yaron Kauffmann voor zijn hulp bij het HR-TEM en HAADF evenals Dr. Kamira Weinfeld voor haar hulp bij XPS karakterisering.
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).
