Фотохимические Окислительный Рост Iridium наночастиц оксида на CdSe @ CdS наностержней
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
Фотокатализ представляет привлекательную и перспективную решение для генерации возобновляемой энергии и других экологических приложений, таких как водоподготовки и очистки воздуха 1-3. В целом расщепление воды, движимый солнечной энергии, может быть источником чистой и возобновляемой водородного топлива; Однако, несмотря на десятилетия исследований, системы, которые являются достаточно стабильным и эффективным для практического использования еще не были реализованы.
Оба фотоосаждения и полупроводник-опосредованной фотокатализа полагаются на тот же механизм разделения электронно-дырочных пар фотоальбомы генерируемые и толкает их на поверхность, где они могут инициировать окислительно-восстановительные реакции. Сходство между этими двумя процессами сделать фотоосаждения привлекательный синтетический инструмент для области фотокатализа 4-6. Этот метод, как ожидается, принять производство фотокатализатора к новым и неизведанным границ. Это может потенциально предложить нетронутой контроль над пространственным расположениемиз различных компонентов в гетероструктурах, и заранее возможность построить сложные системы из наночастиц. В конечном счете способ принесет нам один шаг ближе к реализации эффективной фотокатализатора для прямого солнечного к топливу преобразования энергии.
Мы исследовали рост IrO 2 в качестве сокатализатора, как известно, чтобы быть эффективным катализатором для воды окисления 7-11. Перестраиваемый структура квантовой точки (CdSe), встроенного в стержневой (сульфид кадмия) 12,13 был использован в качестве нашего фотокатализатора субстратом 14,15. Это в настоящее время не определены, происходит ли окислительное путь через опосредованного пути, или путем прямого нападения отверстие. Здесь наше знание и контроль над фотогенерированных отверстия в полупроводниковой гетероструктуры могут быть использованы для механистической изучению реакций окисления. Это стало возможным благодаря архитектуре подложки, что облегчает локализацию удерживаемых отверстий 16,17 и формированиеразличны реакции окисления сайт на стержне. Использование наноразмерных материалов с локализованным носителя заряда может быть использована для механистических исследований окислительно-восстановительных реакций с помощью простых экспертизы продуктов. Таким путем фотоосаждения может быть использован в качестве уникального зонда обоих сокращения и окислительных путей реакции. Это один из примеров новых и интересных возможностей, предоставляемых с помощью комбинации фотоосаждения и передовые коллоидный синтез 18-20.
Стремление разработать эффективную фотокатализатора для воды расщепления и преобразования возобновляемых источников энергии стало важным направлением в рамках сообщества материалов. Это стимулировало интерес во всем мире в CdS, который, как известно, очень активны на получение водорода, хотя это затруднено в результате фотохимических реакций нестабильности. Наша работа здесь лечит ахиллесову пяту материала. Иро 2 оформлены CdSe @ CdS стержни продемонстрировать замечательную фотохимический стабильность при длительном освещении в чистомводы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Синтез семян CdSe и CdSe @ CdS затравки стержней была хорошо изучена 21,24,25. Незначительные изменения в суммах, температурах и времени для стадиях синтеза этих частиц субстрата может быть использован для настройки их длины, диаметра и / или морфологии. Синтетический протокол, описанный в …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование было поддержано I-CORE Программы Комитета по планированию и составлению бюджета и Израиля научного фонда (грант № 152/11). Мы благодарим Шулиха факультет химии и Технион – Израильский технологический институт для обновленного лабораторного и запуска пакета. Мы также благодарим Королевское химическое общество для разрешения в адаптации материалов http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K для использования в этой рукописи. Доктор Kalisman благодарит докторантуру Schulich за их поддержку. Мы благодарим доктора Ярон Кауфман за его помощь в HR-TEM и HAADF а также д-р Kamira Weinfeld за помощь с XPS характеристике.
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).
