Nanoparticules métalliques, en particulier des métaux nobles (p. ex., Pt, Au, DP) ont vastes applications en catalyse¹. En général, réduire la taille des nanoparticules (NPs) augmente leur activité catalytique tout en conservant la constante de coût (poids), mais il rend également plus difficile leur application. NPs (généralement inférieure à 10 nm) ont de grandes tendances à l’agrégation, qui dégrade leur activité catalytique ; Cependant, immobilisation sur substrats adéquats peut généralement résoudre ce problème. En outre, selon le type d’application (p. ex., électrocatalyse), il est parfois nécessaire d’immobiliser les NPs sur substrats conducteurs^2,3. NPs peuvent également être hybridés avec semiconducteurs pour former une barrière de Schottky et éviter (retard) l’électron-trou recombinaison (qui servent de pièges d’électrons)^4,5. Par conséquent, dans la plupart des applications, le métal noble NPs (NNPs) sont déposés soit sur un conducteur (p. ex., le graphène) ou un semi-conducteur (par exemple, TiO₂) substrat. Dans les deux cas, les cations métalliques sont généralement réduites en présence du substrat, et la technique de réduction diffère d’un mode à l’autre.

Pour la déposition de NNPs via une réduction de leurs cations, électrons (avec bon potentiel électrique) doivent être fournies. Cela peut se faire de deux façons : par oxydation des autres espèces chimiques (un agent réducteur)^6,7 ou d’une source de courant externe⁸. En tout cas, pour le dépôt homogène de monodisperses NPs, il est nécessaire d’imposer un contrôle strict sur la production et le transfert des électrons (réducteurs). C’est très difficile quand un agent réducteur est utilisé car il n’y a pratiquement aucun contrôle sur le processus de réduction une fois que les réactifs (cations et agent réducteur) sont mélangés. En outre, NPs peuvent se former n’importe où et pas nécessairement sur le substrat de la cible. Lorsque vous utilisez une alimentation externe, le contrôle sur le nombre des électrons fournis est beaucoup mieux, mais NPs peuvent seulement être déposés sur une surface de l’électrode.

Photocatalytique de dépôts (DP) sont une autre approche, qui offre plus de contrôle sur le nombre de la (photo) généré électrons puisqu’elle est directement liée à la dose des photons lumineux (avec une bonne longueur d’onde). Dans cette méthode, le matériel de substrat joue un double rôle ; Il prévoit la réduction des électrons⁹ et stabilise la formé de NPs¹⁰. En outre, NPs forme que sur le substrat depuis les électrons sont générés par le substrat. Une bonne connexion électrique entre les composants en matériaux composites (fait par la méthode de réduction photocatalytique) est également garantie¹¹. Néanmoins, dans les méthodes de dépôts conventionnels photocatalytique dans laquelle la totalité du lot des réactifs (photocatalyseur et métal cation) s’allume en même temps, il n’y a aucun contrôle sur la nucléation des NNPs. En effet, une fois quelques particules (noyaux) sont formés, ils agissent comme sites de transfert préféré pour le photogénéré électrons⁵ et agissent comme un site privilégié de la croissance. Ce transfert d’électrons supérieure favorise la croissance des particules existants et défavorise la formation de nouveaux noyaux, qui se traduit par la formation de grandes NNPs. Ce problème peut être résolu par l’éclairement pulsé de lumière dans un réacteur à flux continu spécial (Figure 1) qui a récemment été mis au point par notre groupe de¹²UV. La caractéristique unique de ce réacteur est qu’il permet aux chercheurs de contrôler ces deux facteurs déterminant la taille-NP, à savoir, de nucléation et de croissance. Dans ce réacteur, une très petite portion des réactifs est allumée pour une très courte période de temps, promouvoir la formation des noyaux (noyaux plus sont forment) et en limitant la croissance (les plus petites particules sont atteints). Dans cette méthode, en contrôlant la dose d’illumination (c.-à-d., en ajustant la durée d’exposition [modifier la longueur des parties découvertes du tube de réaction ; Figure 1 C] ou l’intensité de la lumière incidente [nombre des lampes]), un contrôle très précis sur le nombre d’électrons photogénéré et, par conséquent, sur le processus de réduction (dépôts NNP) peut être exercé.

Figure 1 : Le réacteur de déposition fabriqué photocatalytique. (A) du réacteur. (B) à l’intérieur de la chambre de l’illumination. (C), un tube de quartz avec une longueur de 5 cm x 1 cm éclairage exposition. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Malgré son grand potentiel de la méthode PD pour le dépôt contrôlé de NNPs, son application est limitée aux matériaux semi-conducteurs. Heureusement, il est possible d’ouvrir un espace large bande dans le graphène (un des substrats conducteurs mieux¹³) par sa fonctionnalisation chimique simple. Par la suite, ces groupes fonctionnels (FGs) peut être enlevés pour la plupart et le graphène qui en résulte sera encore suffisamment conductrice pour la plupart des applications. Parmi les nombreux dérivés fonctionnalisés de graphène, oxyde de graphène (GO), qui présente beaucoup de propriétés semi-conductrices¹⁴, est le candidat plus prometteur à cet effet. Ceci est principalement dû au fait que la production GO a la plus forte production de rendement parmi d’autres. Néanmoins, puisque GO se compose de différents types de FGs, sa composition chimique varie continuellement sous illumination UV. Nous avons récemment démontré que par une élimination sélective des faiblement FGs servile (réduction partielle ; PRGO), la structure chimique et les propriétés électroniques des GO peuvent être stabilisées, qui est une exigence essentielle pour les dépôts homogènes de la NNPs¹². Dans ce rapport, nous décrire la structure du réacteur et fournir des informations détaillées pour la réplication et l’exploitation. Le mécanisme de dépôt (mécanisme du réacteur de travail) et les stratégies d’optimisation possible discute aussi de façon très détaillée. Pour valider l’applicabilité de la DP développée réacteur pour les deux types de substrats communs (chef d’orchestre et semi-conducteurs) et différents NNPs, la déposition du platine sur PRGO et TiO₂, ainsi que de l’or sur TiO₂, est démontrée. Il convient de noter que, par un choix approprié du métal, photocatalyse et matériaux précurseurs (p. ex., sel, piégeur de trou) et les médias de la dispersion, plusieurs autres particules métalliques (tels que Ag et Pd¹⁵) peuvent aussi être déposés. En principe-puisque, dans la photodeposition de NNPs, les cations du métal sont réduites par la photoexcitée électrons, le niveau d’énergie de la bande de conduction du semi-conducteur minimal (CBM) doit correspondre à (être plus négatif que) le potentiel de réduction de la visant les cations. En raison des aspects de l’extensification de la production technique, la synthèse de PRGO est également décrite en détail. Pour plus de renseignements au sujet de la structure chimique et les propriétés électroniques des PRGO, veuillez vous reporter au précédent travail¹².

La structure détaillée du réacteur est représentée schématiquement à la Figure 2. Le réacteur a deux composantes principales : un éclairage UV et un compartiment de réservoir. La section d’éclairage se compose d’un tube de quartz, ce qui est exactement fixé le long de l’axe central d’un tube cylindrique avec une doublure en aluminium poli. Le réservoir est constitué d’une bouteille de verre scellé-cap 1 L avec gaz et les liquides (réactifs) entrées et les sorties. Utilisent un septum de silicium avec un bouchon à vis toit ouvrant pour insérer les tubes. Pour prélever des échantillons au cours de la réaction sans laisser l’oxygène entrer dans le réacteur, une sortie avec une valve est également installée. Il convient de mentionner ici que les prélèvements sur les intervalles de temps spécifiques ne font pas partie du processus de production nanocomposites et d’échantillonnage seulement il faut faire une fois pour obtenir les courbes concentration-temps pour chaque jeu de paramètres de synthèse (l’application de ces courbes seront discutés dans la section « Discussion »). Le réservoir est placé dans un bain d’eau glacée tout en étant mélangé vigoureusement sur un agitateur magnétique. Une pompe magnétique circule le réactif du réservoir à la chambre de réaction (section de l’illumination) et retour au réservoir. Un magnétique est utilisé depuis des débits élevés sont nécessaires (le débit dans cette œuvre = 16 L·min^-1) et les pompes péristaltiques (ou autres pompes similaires) peuvent difficilement fournir ces flux. Lorsque vous utilisez une pompe magnétique, il faut entièrement remplir la roue corps (corps de pompe) avec le liquide réactif et évacuer tout l’air emprisonné (source d’oxygène). L’air emprisonné peut également diminuer le débit réel de la pompe.

Pour une excitation puisée de la matière de la photocatalyse, longueurs spécifiques du tube quartz sont recouverts d’un papier d’aluminium épais, laissant les longueurs égales entre eux découvert (Figure 2). La durée de l’excitation pulsée peut être réglée en changeant la longueur des parties découvertes (durée d’exposition). La durée de l’exposition optimale dépend de divers paramètres, tels que le rendement quantique de la photocatalyse et le chargement de NP prévu (concentration des précurseurs, voir Discussion).