Einem kontinuierlichen Fluss photokatalytische Reaktor für die genau kontrollierten Abscheidung von metallischen Nanopartikeln

Metallischen Nanopartikeln haben vor allem Edelmetalle (z. B. Pt, Au, Pd) große Anwendungen in der Katalyse¹. Im allgemeinen verringern die Größe von Nanopartikeln (NPs) erhöht ihre katalytische Aktivität unter Beibehaltung der konstanten Kosten (Gewicht), aber auch erschwert ihre Anwendung. NPs (in der Regel kleiner als 10 nm) haben große Tendenzen Aggregation, die verschlechtert ihre katalytische Aktivität; Immobilisierung auf geeigneten Untergründen kann jedoch meist dieses Problem beheben. Darüber hinaus je nach Anwendung (z. B. Electrocatalysis) ist es manchmal notwendig, die NPs auf leitfähigen Substrate^2,3zu immobilisieren. NPs können auch mit Halbleitern bilden eine Schottky-Barriere zu vermeiden (Verzögerung) der Elektron-Loch Rekombination (als Elektronen fallen)^4,5hybridisiert werden. Das Edelmetall NPs (NNPs) sind daher in den meisten Anwendungen, entweder auf eine leitfähige hinterlegt (z. B. Graphen) oder einer halbleitenden (z. B. TiO₂) Substrat. In beiden Fällen Metallkationen sind in der Regel in Anwesenheit des Substrats reduziert, und die Verringerung der Technik unterscheidet sich von einer Methode zur anderen.

Für die Abscheidung von NNPs über eine Reduzierung ihrer kationen Elektronen (mit richtigen elektrischen Potential) vorzusehen. Das kann auf zwei Arten erfolgen: durch Oxidation von anderen chemischen Spezies (Reduktionsmittel)^6,7 oder von einer externen Stromversorgung Quelle⁸. In jedem Fall für die homogene Ablagerung von Prozess NPs ist es notwendig, eine strenge Kontrolle zur Erzeugung und Übertragung von Elektronen (reduzieren). Dies ist sehr schwierig, wenn ein Reduktionsmittel verwendet wird, da gibt es praktisch keine Kontrolle über den Abbauprozess, sobald der Edukte (kationen und Reduktionsmittel) gemischt werden. Darüber hinaus können NPs überall bilden und nicht unbedingt auf dem Ziel-Substrat. Wenn Sie eine externe Stromquelle zu verwenden, die Kontrolle über die Anzahl der zur Verfügung gestellten Elektronen ist viel besser, aber NPs können nur auf eine Elektrodenoberfläche abgeschieden werden.

Photokatalytische Abscheidung (PD) ist ein alternativer Ansatz, bietet mehr über die Anzahl der (Foto Kontrolle) Elektronen erzeugt, da es direkt mit der Dosis der beleuchteten Photonen (mit einer richtigen Wellenlänge) zusammenhängt. Bei dieser Methode wird hat das Trägermaterial eine doppelte Rolle; Es bietet die reduzierenden Elektronen⁹ und stabilisiert die gebildeten NPs¹⁰. Darüber hinaus werden NPs Form nur auf das Substrat seit der Elektronen durch das Substrat erzeugt. Eine ordnungsgemäße elektrische Verbindung zwischen composite-Bauteile (hergestellt von der photokatalytischen Reduktionsmethode) garantiert auch¹¹. In herkömmlichen photokatalytische Ablagerung Methoden in denen die gesamte Partie der Reaktanden (Photocatalyst und Metall-kation) gleichzeitig beleuchtet wird, ist jedoch keine Kontrolle über die Keimbildung der NNPs. In der Tat, sobald ein paar Teilchen (Kerne) gebildet werden, sie fungieren als bevorzugte Übertragung Standorte für die Photogenerated Elektronen⁵ und fungieren als eine bevorzugte Wachstum-Website. Diese überlegene Elektronentransfer fördert das Wachstum der vorhandenen Partikel und Missfallens die Bildung von neuen Kerne, was die Bildung von großen NNPs führt. Dieses Problem kann durch die gepulste Illumination des UV-Lichts in einem speziellen kontinuierlichen Fluss-Reaktor (Abbildung 1) angesprochen werden, die vor kurzem von unserer Gruppe¹²entwickelt wurde. Die Besonderheit dieses Reaktors ist, dass es Forschern, beide NP-Größe-bestimmenden Faktoren, nämlich zu kontrollieren, Keimbildung und Wachstum ermöglicht. In diesem Reaktor ist ein sehr kleiner Teil der Reaktanden beleuchtet, für einen sehr kurzen Zeitraum hinweg, Förderung der Bildung der Atomkerne (mehr Kerne werden gebildet) und die Beschränkung des Wachstums (kleinere Partikel erreicht sind). Bei dieser Methode wird durch die Steuerung der Beleuchtung-Dosis (z. B. durch Anpassung der Dauer der Exposition [die Längenänderung der unbedeckten Teile das Reaktionsgefäß; Abbildung 1 C] oder Intensität des einfallenden Lichts [Anzahl der Lampen]), eine sehr genaue Kontrolle über die Anzahl der Photogenerated Elektronen und damit auf den Abbauprozess (NNP-Abscheidung) ausgeübt werden kann.

Abbildung 1 : Fabrizierten photokatalytische Ablagerung Reaktor. (A) des Reaktors. (B) im Inneren der Beleuchtungskammer. (C) A Quarzrohr mit 5 x 1 cm Beleuchtung Belichtung Länge. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Trotz des großen Potenzials der PD-Methode für die kontrollierte Ablagerung von NNPs ist seine Anwendung auf halbleitenden Materialien beschränkt. Glücklicherweise ist es möglich, eine große Bandlücke im Graphen (eines der besten leitende Substrate¹³) durch seine einfache chemische Funktionalisierung zu öffnen. Danach diese funktionellen Gruppen (FGs) meist entfernt werden und die daraus resultierenden Graphen werden leitfähig genug für die meisten Anwendungen. Unter den zahlreichen funktionalisierten Derivaten von Graphen ist Graphene Oxid (GO), das erhebliche halbleitende Eigenschaften¹⁴aufweist, der vielversprechendste Kandidat für diesen Zweck. Dies ist hauptsächlich auf der Tatsache, dass Gos-Produktion hat die höchste Produktion unter anderem ergeben. Dennoch, da GO aus verschiedenen Arten von FGs besteht, variiert seine chemische Zusammensetzung ständig unter UV-Beleuchtung. Wir haben vor kurzem gezeigt, dass durch eine selektive Entfernung von schwach gebundenen FGs (Teilreduktion; PRGO), die chemische Struktur und elektronische Eigenschaften von GO können stabilisiert werden, das ist eine wesentliche Voraussetzung für homogene Ablagerungen des NNPs¹². In diesem Bericht wir beschreiben den Aufbau des Reaktors und liefern ausführliche Informationen für ihre Replikation und ihre Arbeitsweise. Die Ablagerung Mechanismus (Mechanismus des Reaktors arbeiten) und mögliche Optimierungsstrategien sind auch sehr ausführlich diskutiert. Überprüfen Sie die Anwendbarkeit der entwickelten PD ist Reaktor für beide Arten von gemeinsamen Substrate (Leiter und Halbleiter) und verschiedene NNPs, die Ablagerung von Platin auf PRGO und TiO₂sowie von Gold auf TiO₂, gezeigt. Es ist bemerkenswert, dass durch eine richtige Auswahl des Metalls, Photocatalyst und Vormaterialien (z. B. Salz, Loch Schnitzeljagd) und Dispersion Medien auch mehrere andere metallische Partikel (z. B. Ag und Pd¹⁵) hinterlegt werden können. Im Prinzip-da in der Photodeposition NNPs, die kationen des Metalls durch Elektronen-die Photoexcited reduziert werden sollte Energieniveau von der Halbleiter Leitungsband minimale (CBM) mit zusammenpassen (negativer aus als sein) das Reduktionspotential von der gezielte Anwendungen. Aufgrund der umfangreichen produktionstechnischen Aspekte ist die Synthese von PRGO auch ausführlich beschrieben. Weitere Informationen über die chemische Struktur und elektronische Eigenschaften von PRGO finden Sie in vorherigen Arbeit¹².

Die genaue Struktur des Reaktors ist schematisch in Abbildung 2dargestellt. Der Reaktor besteht aus zwei Hauptkomponenten: ein UV-Beleuchtung und einem Reservoir-Fach. Die Beleuchtung besteht aus einem Quarzrohr, exakt auf der Mittelachse einer zylindrischen Röhre mit einem polierten Aluminium-Liner fixiert wird. Der Behälter besteht aus einer 1 L versiegelt-Cap Glasflasche mit Gas und Flüssigkeit (Edukte) ein- und Ausläufe. Verwenden Sie eine Silizium-Septum mit einem Cabrio-Schraubverschluss für das Einfügen der Rohre. Um Proben während der Reaktion zu nehmen, ohne dass Sauerstoff Reaktor eingeben, wird ein Ventil mit einem Ventil auch installiert. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Kostproben auf bestimmte Zeitintervalle nicht Teil des Produktionsprozesses Nanocomposites sind und Probenahme nur einmal getan werden, um die Konzentrationszeit Kurven für jeden Satz von Synthese-Parameter (die Anwendung von zu erhalten muss Diese Kurven werden in die Diskussion Abschnitt behandelt). Das Reservoir wird im Eis-Wasserbad platziert, während kräftig auf einen Magnetrührer gemischt. Eine magnetische Pumpe wälzt das Edukt aus dem Reservoir in die Reaktionskammer (Beleuchtung Abschnitt) und zurück zum Stausee. Ein magnetisches eine verwendet wird, da hohe Durchflussraten notwendig sind (die Durchflussmenge in diesem Werk = 16 L·min^-1) und Schlauchpumpen (oder andere ähnlichen Pumpen) bieten kaum diese Ströme. Wenn Sie eine magnetische Pumpe verwenden, sollte darauf geachtet werden, vollständig füllen das Laufrad (Pumpengehäuse) Gehäuse mit der Reaktanten Flüssigkeit und eingeschlossene Luft (Sauerstoffquelle) zu evakuieren. Die eingeschlossene Luft kann auch echte Pumpenförderstrom verringern.

Für eine gepulste Anregung des Werkstoffes Photocatalyst, bestimmte Rohrlängen der Quarz sind durch eine dicke Alufolie abgedeckt, wobei gleiche Längen zwischen ihnen aufgedeckt (Abbildung 2). Die Dauer der gepulsten Anregung kann eingestellt werden, durch die Längenänderung der unbedeckten Teile (Exposition Länge). Die optimale Belichtung Länge richtet sich nach verschiedenen Parametern, wie z. B. die Quantenausbeute der Photokatalysator und das beabsichtigte NP-laden (Konzentration der Ausgangsstoffe; siehe Diskussion).