金属ナノ粒子の正確に制御された沈着量の連続的な流れの光触媒反応
Summary
高貴な金属系ナノ複合材料の継続的かつスケーラブルな合成、新規光触媒反応の開発し、その構造、動作原理と製品品質の最適化戦略を説明しました。
Abstract
この作品は、光触媒の制御パルスの励起と金属ナノ粒子の精密成膜の新規光触媒反応が開発されています。詳細は、原子炉とその操作のレプリケーションのためのガイドラインを提供しています。3 種類合成システム (Pt/グラフェン、Pt/TiO2、および Au/TiO2) 径と均一に分散粒子はこの原子炉の光電着機構のメカニズムと合成の最適化戦略プロデュースします。説明しています。合成法とその技術的な側面は、包括的に説明します。紫外線 (UV) 線量の (各励起パルス) 光電析過程プロセスの役割を調査し、各複合システムに最適な値が提供されます。
Introduction
金属ナノ粒子触媒1の広大なアプリケーションがある特に貴金属 (Pt、Au、Pd など)。一般に、(NPs) ナノ粒子のサイズを小さくコスト (重量) 定数を維持しながら触媒活性を向上しますが、それがまた応用が難しくなります。NPs (通常 10 より小さい nm) の触媒活性が低下する、集計する偉大な傾向があります。ただし、適切な基板上への固定化大抵この問題を解決できます。さらに、アプリケーションの種類 (例えば、電極) によって、導電性基板2,3NPs を固定する必要があります。NPs は、ショットキー障壁を形成し、(遅延) 電子-正孔再結合 (電子トラップとして動作)4,5を避けるため半導体と交配させることがことができます。したがって、アプリケーションのほとんどは、貴金属 NPs (NNPs) は、導電性のいずれかを堆積 (グラフェンなど) または、半導べ性 (例えば、TiO2) 基板。両方のケースで金属の陽イオンは通常基質の存在下で減少し、低減技術を別の 1 つのメソッドから異なります。
その陽イオン還元による NNPs の蒸着、(適切な電気潜在性) と電子を提供されなければなりません。2 つの方法で行うことができます: 外部電源ソース8からまたは他の化学種 (還元剤)6、7の酸化によって。いずれの場合も、NPs 単分散の均一成膜を生成し (還元) の電子の移動の厳密な制御を課す必要は。還元剤を使用すると、一度反応 (陽イオンおよび還元剤) を混合還元過程を事実上コントロールがあるので、これは非常に難しい。さらに、NPs はどこを形作ることができる、ターゲット基板上必ずしも。提供されている電子の数を制御ははるかに良い、外部電源を使用している場合が、NPs は電極表面上だけ預けられます。
光触媒成膜 (PD)、(写真) の数をより詳細に制御を提供しています電子を生成は、(適切な波長) に照らされた光子の量に直接関連しているので、代替アプローチです。この方法では基板材料が二重の役割;還元電子9を提供し、形成された NPs10を安定させます。さらに、基板電子から基板だけ NPs フォームが生成されます。(光触媒還元法による製) 複合コンポーネント間の適切な電気的接続も11が保証されます。それにもかかわらず、従来の光触媒成膜方法反応 (光触媒、金属の陽イオン) の全体のバッチが同時に点灯、NNPs の核形成の制御はありません。確かに、いくつかの粒子 (核) が形成されると、一度彼ら光電子5最寄りの転送サイトとして機能し、最寄りの成長サイトとして機能します。この優れた電子移動既存の粒子の成長を促進して大きな NNPs の形成につながる新しい核の形成を disfavors します。この問題は、最近私たちのグループ12によって開発されている特別な連続フロー炉 (図 1) での紫外光パルス照射による対処できます。この炉の特徴は、すなわち両方の NP サイズ決定の要因を制御する研究者、核形成と成長できます。この原子炉では、(より多くの核が形成される) 核の形成を促進し、(小さい粒子を達成) 成長を制限する、時間の非常に短い期間の反応の非常に小さい部分が点灯します。(すなわち、[反応管の覆いを取られた部分の長さを変更する露出時間を調整することで照明の量を制御することにより、このメソッドの図 1C] または [ランプの数] 入射光の強度)、光電子のと、その結果、削減プロセス (NNP 沈着) の数を非常に正確に制御を行使することができます。
図 1: 作製した光触媒成膜リアクター 。(A) リアクター。(B) 照射室の内部。(C) A 石英管照明露出長さが 5 cm × 1 cm。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
PD NNPs の制御蒸着法の偉大な潜在性にもかかわらず応用は半導体材料に限られます。幸いにも、単純な化学改質によるグラフェン (最も導電性基板上13の 1 つ) の広いバンド ギャップを開くことが可能です。その後、これらの機能グループ (FGs) をほとんど削除することができます、結果として得られるグラフェンはほとんどのアプリケーションに十分な導電性あります。グラフェンの多数機能性誘導体の中で酸化グラフェン (GO)、かなり半導体特性14を表わすは最も有望な候補者をこの目的のためです。これは移動の生産は、他の中で得られる最高の生産、という事実が主に原因です。それにもかかわらず、移動は、FGs のさまざまな種類で構成され、以来その化学組成連続的に変化紫外線照射下。我々 は最近弱く接合 FGs (部分的な削減の選択的除去によることを示しています。PRGO)、化学構造と電子移動物性安定化させること、NNPs12の均質な証言録取書の必須要件であります。本報告では、リアクターの構造を記述して、そのレプリケーションおよび操作のための詳細な情報を提供します。成膜機構 (加工、原子炉の機構) および可能な最適化戦略は、偉大な詳細も説明します。PD は開発の適用を検証するには、一般的な基板 (導体と半導体) と異なる NNPs、PRGO と TiO2、プラチナおよび TiO2、金蒸着の両方のタイプの原子炉が示されています。それが注目される、金属、光触媒と前駆体材料 (例えば、塩、穴スカベン ジャー)、および分散メディアの適切な選択によって (Ag, Pd15) などのいくつかの他の金属粒子も預けられます。原則として-半導体の伝導バンド最低 (CBM) のエネルギー準位と一致する必要があります以来、NNPs の光電着機構、金属の陽イオンは、光励起電子の減少 (より否定的である) の還元電位、目的とした陽イオン。広範な技術的な生産の側面による PRGO の合成も詳細で説明されます。化学構造と PRGO の電子物性の詳細については、前の作業12を参照してください。
原子炉の詳細な構造は、図 2に模式的描かれています。リアクターは 2 つの主要なコンポーネント: 紫外線照射と貯水区画。照明セクションは、まさに洗練されたアルミ ライナーと筒状の管の中心軸に沿って固定されている石英管で構成されます。貯水池は、ガスと液体 (反応) 入口および出口を 1 L の密閉キャップ ガラスの瓶で構成されています。チューブを挿入するためには、オープン トップ スクリュー キャップを持つシリコン中隔を使用します。反応中にサンプルを取る酸素原子炉を入力させることがなく、バルブとコンセントもインストールされます。特定の時間間隔でサンプリングはナノコンポジット製造プロセスの一部ではない、サンプリングのみ合成パラメーター (アプリケーションの各セットに濃度-時間曲線を取得する 1 回実行する必要があります。、ここで言及する必要があります。これらの曲線は、後ほどの説明で)。貯水池は氷水浴中ながら、マグネチックスターラーで攪拌精力的に配置されます。マグネット ポンプは、貯水池から反応反応チャンバ (照明セクション) と貯水池に戻るを循環しています。磁気高流量が必要なので、1 つを使用 (この作品で流量 = 16 L·min-1) と蠕動ポンプ (または他の同じようなポンプ) はほとんどこれらのフローを提供できます。マグネット ポンプを使用する場合完全に反応液で羽根車をケーシング (ポンプ ・ ハウジング) を記入し、避難中の空気 (酸素源) に注意が必要があります。閉じ込められた空気はまたポンプの実流量を減らすことができます。
光触媒材料、石英管の特定の長さのパルス励起は、厚いアルミ箔で覆われているはそれらの間の同じ長さを残して (図 2) を発見しました。パルス励起の期間は、覆いを取られた部品 (露出の長さ) の長さを変更することによって調整できます。最適な露出の長さは、光触媒と意図した NP 荷重 (の前駆物質の濃度; 見なさい議論) の量子収率などのさまざまなパラメーターによって決定されます。
Protocol
Representative Results
Discussion
ナノ粒子は、希金属系触媒の最も広く使用されている形式です。ほぼすべてのケースで NNPs は、導電性、半導べ性サポート材料のいずれかに入金されます。この交配は、主目的の基板 (素材) の存在下で貴金属の陽イオンの減少によって行われます。したがって、NNP 基ナノコンポジットの生産のための合成に成功法は、少なくとも 2 つの主な要件を満たす必要があります: 1) 陽イオンの還元が…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者感謝したいサバンチ大学とスイス連邦研究所材料科学技術 (Empa) すべてのサポートを提供します。
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
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