Fotokjemisk Oksidativt Vekst av Iridium Oxide Nanopartikler på 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
Photocatalysis presenterer et attraktivt og lovende løsning for fornybar energiproduksjon og andre miljø applikasjoner som vannbehandling og luftrensing 1-3. Samlet vann splitting, drevet av solenergi, kan være en kilde til ren og fornybar hydrogen drivstoff; Men til tross for flere tiår med forskning, systemer som er tilstrekkelig stabil og effektiv for praktisk bruk ennå ikke er realisert.
Både photodeposition og halvleder-formidlet fotokata er avhengige av den samme mekanisme for å skille fotogenererte elektron-hull-par og styre dem til overflaten hvor de kan initiere redoks-reaksjoner. Likheten mellom disse to prosessene gjør photodeposition en attraktiv syntetisk verktøy for feltet photocatalysis 4-6. Denne metoden er ventet å ta photocatalyst produksjonen til nye og uutforskede grenser. Det kan potensielt gi perfekt kontroll over den romlige ordningav de ulike komponentene i et hetero, og fremme evnen til å konstruere avanserte nanopartikkel-systemer. Til syvende og sist den metoden vil bringe oss et skritt nærmere å realisere en effektiv fotokatalysator for direkte sol-til-drivstoff energi konvertering.
Vi undersøkte veksten av Iro 2 som en ko-katalysator, som det er kjent for å være en effektiv katalysator for vann oksydasjon 7-11. En fleksibel struktur av quantum dot (CdSe) innebygd i en stang (kadmium sulfid) 12,13 ble brukt som vår photocatalyst substrat 14,15. Det er for tiden ikke fastslått hvorvidt den oksidative reaksjonsveien skjer via en mediert reaksjonsvei, eller ved en direkte hull angrep. Her kan vår kunnskap og kontroll over fotogenererte hull i halvledere hetrostruktur bli brukt for en mekanistisk studie av oksidasjon reaksjoner. Dette er gjort mulig av substratet arkitekturen, noe som letter lokaliseringen av trange hull 16,17 og dannelse av endistinkt oksidasjonsreaksjonsstedet på stangen. Anvendelse av nanoskala materialer med lokaliserte ladningsbærer kan utnyttes for mekanistiske undersøkelser av redoks-reaksjoner ved enkel undersøkelse av produktene. På denne måte photodeposition kan brukes som en unik probe av både reduksjons- og oksidasjonsreaksjonsveier. Dette er ett eksempel på de nye og spennende muligheter som gis gjennom en kombinasjon av photodeposition og cutting edge kolloidalt syntese 18-20.
Kampen for å utvikle en effektiv fotokatalysator for vann splitting og fornybar energi konvertering er blitt et viktig fremstøt innenfor materialer samfunnet. Dette har ansporet verdensomspennende interesse i CdS, som er kjent for å være meget aktiv for produksjon av hydrogen, selv om den er hemmet av fotokjemisk ustabilitet. Vårt arbeid her behandler akilleshæl av materialet. IRO to dekorerte CdSe @ CdS stenger demonstrere bemerkelsesverdig fotokjemisk stabilitet under langvarig belysning i renvann.
Protocol
Representative Results
Discussion
Syntesen av CdSe frø og CdSe @ CdS seeded stenger har blitt godt undersøkt 21,24,25. Små endringer i de mengder, temperaturer og tider for trinn i syntesen av disse substrat-partikler kan benyttes for å stille inn deres lengde, diameter og / eller morfologi. Den syntetiske protokollen beskrevet her gir svært lysende seeded-staver av ensartede dimensjoner.
Liganden bytte Fremgangsmåten tillater bruk av seeded stenger i polare omgivelser, i dette tilfelle vann. Ved sluttfasen …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av I-CORE Program for planlegging og budsjettering komiteen og Israel Science Foundation (Grant nr 152/11). Vi takker Schulich Fakultet for kjemi og Technion – Israel Institute of Technology for den renoverte laboratorium og oppstart pakken. Vi takker også Royal Society of Chemistry om tillatelse i å tilpasse materialer fra http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K for bruk i dette manuskriptet. Dr. Kalisman takker Schulich postdoktor stipendiatstillinger for deres støtte. Vi takker Dr. Yaron Kauffmann for hans hjelp med HR-TEM og HAADF samt Dr. Kamira Weinfeld for hennes assistanse med 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).
