الضوئية مؤكسد نمو إيريديوم أكسيد النانوية على سيلينيد الكادميوم @ أقراص مدمجة نانواعواد
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
يعرض ضوئي حلا جذابا واعدة لتوليد الطاقة المتجددة والتطبيقات البيئية الأخرى مثل معالجة المياه وتنقية الهواء 1-3. تقسيم المياه بشكل عام، مدفوعا الطاقة الشمسية، يمكن أن يكون مصدرا للوقود الهيدروجين النظيفة والمتجددة. ومع ذلك، على الرغم من عقود من البحث، ولم أدرك النظم التي هي مستقرة وفعالة بما فيه الكفاية للاستخدام العملي.
كلا photodeposition وضوئي بوساطة أشباه الموصلات الاعتماد على نفس الآلية لفصل ولدت صورة أزواج الإلكترونات حفرة، ورميهم إلى السطح حيث يمكن الشروع في تفاعلات الأكسدة والاختزال. أوجه التشابه بين هاتين العمليتين تجعل photodeposition أداة الاصطناعية جذابة للمجال التحفيز الضوئي 4-6. ومن المتوقع أن يستغرق إنتاج حفاز ضوئي إلى آفاق جديدة وغير مستكشفة هذا الأسلوب. قد يحتمل تقديم السيطرة البكر على الترتيب المكانيمن المكونات المختلفة في heterostructures، وتعزيز القدرة على بناء أنظمة جسيمات متناهية الصغر المتطورة. في نهاية المطاف طريقة سوف تجلب لنا خطوة واحدة لتحقيق أحد ضوئي كفاءة لتحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى وقود.
نحن التحقيق في النمو من حديد (2)، وشارك في حافز، كما هو معروف أن تكون حافزا فعالا للأكسدة المياه 7-11. تم استخدام هيكل الانضباطي من النقطة الكمومية (سيلينيد الكادميوم) جزءا لا يتجزأ من الكروم (كبريتيد الكادميوم) 12،13 لدينا ضوئي الركيزة 14،15. ومن غير محدد حاليا ما إذا كان مسار الأكسدة يحدث عن طريق المسار بوساطة، أو بسبب هجوم حفرة المباشر. هنا، لدينا معرفة والسيطرة على ثقوب photogenerated في heterostructure أشباه الموصلات يمكن تسخيرها لدراسة الميكانيكية للتفاعلات الأكسدة. وقد أصبح هذا ممكنا من العمارة الركيزة، مما يسهل توطين الثقوب تقتصر 16،17 وتشكيل لموقع متميز تفاعل الأكسدة على قضيب. استخدام المواد النانوية مع الناقل مسؤولا محلية يمكن استغلالها للدراسات الميكانيكية للتفاعلات الأكسدة والاختزال بواسطة فحص بسيط من المنتجات. وبهذه الطريقة photodeposition يمكن استخدامها في تحقيق فريد من كلا الحد من أكسدة مسارات رد فعل. هذا مثال واحد من الاحتمالات الجديدة والمثيرة التي يوفرها مزيج من photodeposition وأحدث الغروية التوليف 18-20.
لقد أصبح السعي إلى تطوير ضوئي فعالة لتقسيم المياه وتحويل الطاقة المتجددة إلى التوجه مهم داخل المجتمع المواد. وقد حفز هذا الاهتمام العالمي في أقراص مدمجة، والذي يعرف أن تكون نشطة للغاية لإنتاج الهيدروجين، على الرغم من تعثر نتيجة عدم الاستقرار الضوئي. عملنا هنا يعامل كعب أخيل للمادة. IRO 2 زينت أقراص مدمجة قضبان سيلينيد الكادميوم @ تثبت الاستقرار الضوئي ملحوظا تحت إضاءة لفترات طويلة في نقيةماء.
Protocol
Representative Results
Discussion
تركيب البذور سيلينيد الكادميوم وسيلينيد الكادميوم @ أقراص مدمجة المصنف قضبان قد درست جيدا 21،24،25. تعديلات طفيفة على المبالغ، ودرجات الحرارة، ومرات لخطوات تركيب هذه الجزيئات الركيزة يمكن استخدامها لهجتهم طول وقطر، و / أو التشكل. بروتوكول الاصطناعية الموصوفة هن?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا البحث من قبل برنامج I-CORE لجنة التخطيط والميزانية ومؤسسة العلوم إسرائيل (منحة رقم 152/11). نشكر كلية Schulich الكيمياء والتخنيون – معهد تكنولوجي لإسرائيل لحزمة المختبرات وبدء التشغيل تجديده. كما نشكر الجمعية الملكية للكيمياء للحصول على إذن في تكييف المواد من http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K للاستخدام في هذه المخطوطة. الدكتور Kalisman بفضل زمالة ما بعد الدكتوراه Schulich لدعمهم. نشكر الدكتور يارون كوفمان لمساعدته مع HR-تيم وHAADF وكذلك الدكتور كميرا ينفلد لمساعدتها مع توصيف XPS.
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 |
Referências
- 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).
