Procedures are outlined to prepare segmented and coaxial nanowires via templated electrodeposition in nanopores. As examples, segmented nanowires consisting of Ag and ZnO segments, and coaxial nanowires consisting of a TiO2 shell and a Ag core were made. The nanowires were used in photocatalytic hydrogen formation experiments.
光催化活性纳米结构需要一个大的比表面积与许多催化活性位点的氧化还原半反应的存在,并快速电子(空穴)的扩散和电荷分离。纳米线呈现合适的架构来满足这些要求。沿轴向分割的Ag | ZnO和径向分段(同轴)的TiO 2 -银纳米线的直径为200纳米和6-20微米的长度是由模板电沉积的聚碳酸酯履带式蚀刻(PCTE)或阳极化的铝氧化物的细孔内进行(AAO)膜,分别。在光催化实验中,氧化锌和二氧化钛阶段担任光阳极和Ag作为阴极。没有外部电路需要连接两个电极,这是与传统的光电化学电池的一个关键优势。用于制造分段的Ag |氧化锌纳米线,所述Ag盐电解质代替形成的Ag段后,形成的ZnO段一ttached于Ag段。用于制造同轴电缆的TiO 2 -银纳米线,一TiO 2的凝胶首先由电化学诱导溶胶-凝胶法形成的。干燥和作为形成TiO 2的凝胶的热退火造成的结晶的TiO 2纳米管的形成。在TiO 2纳米管内随后的银电沉积工序导致形成的同轴二氧化钛-银纳米线。由于n型半导体(氧化锌或二氧化钛)和相同的纳米线中的金属(Ag)的组合,肖特基势垒是在两相之间的界面创建。为了证明这些纳米线的光催化活性,银|氧化锌纳米线的其中H 2气体后,分散在甲醇/水混合物的纳米线的紫外光照射检测光催化实验中使用。后照射17分钟,约0.2体积%的H 2气体被从悬浮液中〜0.1克的Ag检测|氧化锌纳米线在50毫升80%(体积)的甲醇水溶液。
由于它们的小尺寸和大的表面-体积比,纳米线是非常有前途的,可以在广泛的生物医学和纳米技术应用1使用一维物体。在文献中,包含具有功能性的单个组件的许多纳米线已经报道2-7。但是,当多个材料(金属,聚合物和金属氧化物)按顺序在单个纳米线结合,多功能的纳米线可以由8,9。当几个分部的单一纳米线内的连接,功能特性可能会出现的时候只使用了单个段中不存在。例如,据报道包含在一个单一的纳米线Au和Pt段纳米马达的自主移动时,放置在过氧化氢4。对于多段纳米线的形成合适的技术是渗透和模板电<SUP> 8,9。
1987年,彭纳和马丁是第一个发布使用模板电沉积的金纳米线的聚碳酸酯膜10的形成。从那时起,许多其他研究人员已经开始使用模板电沉积纳米线具有不同尺寸的合成,无论是使用聚碳酸酯轨道蚀刻膜(PCTE)或阳极氧化铝(AAO)膜和模板11。使用模板电沉积于纳米线合成的优点是它的高性价比的性质通常是温和的条件下进行电沉积,无论从金属,金属氧化物和/或聚合物,其创造的精确复制阴模能力形成的纳米线的可能性在模板中使用11。此外,分段的纳米线可以由两个或多个不同相位的连续沉积来形成,并且当两相之一的碳纳米管可以由模板电沉积制成,可制成含两个不同的阶段同轴纳米线。
金属氧化物可电沉积时的各金属离子是不溶于水溶液中的高pH值。供必要的氧,三种不同的前体都可以使用, 例如硝酸根离子12-15,过氧化氢13,16,17,和分子氧18。与使用硝酸根离子,如在该协议中,应用的电位高于-0.9V,相对于Ag / AgCl电极更负的导致了由硝酸盐还原在阴极19和20局部增加的pH值:
NO 3 – + H 2 O + 2e的– →NO 2 – +2 OH – 。 (1)
当电解质溶液被加热到60-90℃,氧化锌纳米线将形成从沉淀的寻Ç氢氧化:
ZN 2 + +2 OH – →氧化锌+ H 2 O。 (2)
在施加电势,以使工作电极,其被定位在模板电沉积孔隙底部,细孔内的pH值局部增加导致局部纳米线的形成。因为ZnO是n型半导体,反应(1)和(2)可以继续在氧化锌/电解质界面,造成结晶和致密氧化锌纳米线21,22的形成。
对于TiO 2的纳米管合成的方法有几种,但对于一个同轴结构的使用顺序电沉积过程中形成的,该电化学诱导溶胶-凝胶法是最合适的。首先由纳塔拉詹等人介绍了该方法的TiO 2薄膜的阴极电泳,于1996年23。并furtheŘ改善由Karuppuchamy 等人于2001年19,24。使用该方法,含氧硫酸钛(TiOSO 4)粉末溶解在过氧化氢 后的peroxotitanate复合物的形成的水溶液(H 2 O 2)(钛(O 2)SO 4):
TiOSO 4 + H 2 O 2→的Ti(O 2)SO 4 + H 2 O。 (3)
在电势大于-0.9V,相对于Ag / AgCl电极更负时,pH在电极表面增加了硝酸盐还原(反应(1)),形成氢氧化钛凝胶19,20:
的Ti(O 2)SO 4 +2 OH – +(X +1)H 2 O→二氧化钛(OH)2 x高2 O + H 2 O 2 + SO 4 2 – 。 (4)
Natar·阿贾恩等人使用差示热分析,发现水从周围283℃下的凝胶的热退火,这导致无定形的TiO 2相23的形成过程中除去。为一平面薄膜,当温度高于365℃,23,25增加,而结晶发生在525和550℃时的AAO模板用于25之间的温度下,结晶转变成锐钛矿相发生。
二氧化钛(OH)2·x高2 O→的TiO 2 +(X +1)H 2 O (5)
用AAO模板的孔径决定了固体纳米线或纳米管的开放是否将形成。沉积在具有小孔径(〜50 nm)的结果在纳米线形成20,26,同时施加一个孔里面相同的方法用直径较大(〜200 nm)的结果在一个模板纳米管的形成25。这是因为凝胶崩溃可以采取后去除多余水分的地方。
在70年代初期,藤岛和本田是第一个在紫外光下,这是实现由耦合到铂电极27,28金红石电极发布直接分解水的系统。从那时起,超过130的半导体材料被确定为光催化剂29-31。这些中,二氧化钛32-36,氧化锌37-40和氧化铁41,42是最广泛研究的材料中。这些材料的表面与体积之比可以显着增加时,纳米颗粒或纳米线的使用,从而提高催化效率29,30,43-49。
用于光催化Ag的建设|氧化锌纳米线,氧化锌,这是一种光敏正典型Ë半导体,是与银通过同一模板50内连续电连接。在这样的单个纳米线,ZnO的光电阳极和Ag阴极直接联接,而无需连接电极的外部电路,这是相对于在以往的光电化学电池的情况的需要。这简化了设备结构显着增加,并通过还原的系统中的欧姆损耗的效率。由于氧化锌(4.35 eV的对比真空)的电子亲和力的ZnO和Ag段被加上非常接近银(4.26 eV的对比真空)的功函数。这种诱导的两个阶段51,它允许在ZnO的导带激发的电子流向银,但反之之间的肖特基势垒的形成,从而禁止电子-空穴复合52的机会。可在60-90℃下,它提供了nanow的一种简单和成本有效的方式已经形成ZnO的活性纤锌矿相愤怒的形成。这是相对于那些需要在高温下的中间退火工序时,通过阴极电沉积制成大多数其它光活性氧化物。
甲醇和水转化为氢气和二氧化碳作为模型反应,以证明使用含有金属的分段的纳米线的和为UV光的影响下,自主的H 2形成的金属氧化物相。在该实验中,使用甲醇作为被氧化成CO 2的氧化锌段空穴清除剂,净反应如下
CH 3 OH + H 2 O + H +→CO 2 + H +,(6)
其中h +代表电子空穴。形成在所述的ZnO段中的质子减少到H 2在银表面上,对反应后
2H + + 2e中–594; H 2。 (7)
由于所需的反应(6)和(7)比ZnO的带隙(0.7和3.2电子伏特,分别)小得多的总能量,这一过程可以发生,而不需要外部电源。这个过程是在图1中示意性地示出。
在这个协议中,模板电沉积为同时含有金属和半导体相位分段和同轴纳米线形成的实验程序进行说明。一个程序分割的Ag形成|氧化锌纳米线的概述,以及形成的TiO 2纳米管及其随后的填充用的Ag,得到的同轴二氧化钛-银纳米线。此外,银的光催化活性|氧化锌纳米线被证明在辐照甲醇/水混合物转化成H 2和CO 2气体,紫外线灯采用Pd基传感器对H 2的检测。该协议的重点是两个不同的分段金属氧化物的制备及光催化特性|金属纳米线的模块,和一个更深入的治疗和多功能纳米线的一个例子可以在其他地方53被发现。这是使用同轴二氧化钛-银纳米线所使用的水分解反应也可以在其他地方25找到。
在纳米线的模板电沉积非常重要的是,溅射的膜的顶部的金电极的背面侧的隔离。不经分离,该材料会优先沉积在金表面在膜的背面侧,而不是在孔隙内。这是因为离子到平面电极的扩散比扩散到膜孔快得多。沉积在金电极两侧另一个缺点是,所获得的曲线它不能与沉积的纳米线的数量和长度。在图4中 ,分几个阶段可以被识别为Ag的链段(a)或Ag核(B)的沉积。每一电沉积实验的第一阶段充电的双电层,这是伴随着突然增加电流慢慢减小,双电层达到其平衡。由于PCTE膜宝自Whatman水库有一个雪茄形,电流增大,在第二阶段,作为沉积的表面积增大,从而导致更多的材料沉积在同一时间,并且由于纳米线的表面速度供给反应物变得更接近入口的膜孔。在第三阶段中,在表面区域中的变化是最小的,从而导致增加的电流的较小的斜率,因为更快的反应物供应只的效果是明显的在此阶段。
请注意,在沉积同时含有金属和氧化物段分段的纳米线的情况下,电沉积在孔隙内的顺序应该采取的沉积相的溶解度在彼此的溶液明确地考虑确定。在这种情况下,Ag的段中的氧化锌段之前被沉积的ZnO作为将溶解在酸性的AgNO 3溶液。在形成含有贵金属的分段奈米线的情况下和一个更低的Noble 1, 例如 Pt和Ni,镍由铂电偶置换反应应考虑在内。此原电池置换反应可通过使用较大的超电势为在先前的出版物54中讨论被抑制。
使用任一PCTE或纳米线或纳米管的合成阳极氧化铝膜的选择通常是基于热退火步是否是理想的首选材料。未经退火步骤的必要性,PCTE膜更容易处理和相对良好的膜可以从市场上获得的。对于高温退火,采用阳极氧化铝膜是必需的。这些膜是不够灵活的聚碳酸酯膜,并且非常脆。有些商业阳极氧化铝膜是可用的,但使用的是2步自制的阳极氧化阳极氧化铝膜的质量要好得多。对于这一点,几个食谱可供55,56。
在Pd基H 2 </sub>在本研究中使用的传感器是一种简单和相对低廉的方法,用于确定H 2是否已形成与否。不幸的是,它不适合于由于其交叉敏感性,易挥发的溶剂如甲醇,特性无法检测溶解的H 2在甲醇/水的溶液,并且它的非线性响应,在该曲线的形状看出定量测量在图8中 。定量测量可以在一个设置来执行与连接于甲醇/水混合物,它是专用设备,是不是在每个实验室可用上面的顶部空间气相色谱进样口。
H 2形成用银|氧化锌纳米线通常停止后〜48小时紫外线照射可见一斑终止气体形成气泡。这样做的原因的活性损失为ZnO的根据下面的反应57-60光腐蚀:
的ZnO +2 H +→Zn 2 +的+1/2 O 2(8)
photocorroded的Ag的SEM图像|。氧化锌纳米线示于图9如从该图中可以看出,在ZnO段的表面变得更粗糙时紫外线照射相比, 图5的合成后原样的电线当悬浮另一个。批次的Ag |中在黑暗中48小时的相同溶液的ZnO纳米线,腐蚀的迹象被发现。这证实了所观察到的腐蚀确实起因于光腐蚀,而不是从电解腐蚀。在文献中,一些方法已被报道用于抑制氧化锌光腐蚀的,包括氧化锌的纳米颗粒与聚苯胺的单层上的TiO 2纳米管59,61,62杂交或C 60和ZnO纳米棒的嫁接。
轴向或径向分段纳米线模板电沉积是多段n的沉积一个完美的平台anowires,能够进行多个功能的一次,其中的Ag |氧化锌段可作为光催化元素的应用。在以前的出版物,包含六个部分的单个纳米线的SEM图像介绍:铂|金|铂|镍|银|氧化锌。这样的纳米线可用于自主运动(铂|金|铂),磁转向(Ni)和光催化的H 2的形成(银|氧化锌)53。
总之,一个简单的协议分割Ag的合成|氧化锌纳米线和同轴的TiO 2纳米线银通过模板化的电提供。利用光催化甲醇和水转化成H 2和CO 2在紫外光照射下的半定量的方法,以确定这些纳米线的光催化活性被证明。可以设想,这些金属氧化物的金属纳米线可以在多功能纳米线和纳米线的其他设备来使用。
The authors have nothing to disclose.
荷兰科学研究组织(NWO-CW)的TOP计划的框架内的化学科学部的财政支持是公认的。
Silver Nitrate (AgNO3) | Acros Organics | 419351000 | 99+% |
Boric Acid (H3BO3) | Sigma-Aldrich | 202878-500G | 99.99% |
Nitric Acid (HNO3) | Acros Organics | 124660010 | 65% |
Zinc Nitrate Hexahydrate (Zn(NO3)2·6H2O) | Sigma-Aldrich | 228737-500G | 98% |
Dichloromethane (CH2Cl2) | Merck (Boom) | 51006050100 | 99% |
Titanium oxysulfate (TiOSO4) | Sigma-Aldrich | 333980-500G | Synthesis grade |
Hydrogen peroxide (H2O2) | Sigma-Aldrich | 349887-500ML | 35% |
Nitric acid (HNO3) | Acros Organics | 124660010 | 65% |
Potassium nitrate (KNO3) | Acros Organics | P/6040/60 | >99% |
Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma-Aldrich | 20606-0025 | >98% |
Methanol (CH3OH) | Merck | 1060121000 | Dried ≥99.9% |
Polycarbonate membranes 200 nm | Fisher Scientific | 09-300-61 | |
Anopore AAO membranes 200 nm | VWR | 514-0523 | |
Sputtering system | Perkin-Elmer | Model 2400 | |
Microscope glass slides (Menzel) | VWR | 631-0704 | |
Autolab potentiostat with | Metrohm-Autolab | PGSTAT 128N | |
– Pt sheet counter electrode | PT.SHEET | ||
– Ag/AgCl in 3 M KCl reference electrode | 60,733,100 | ||
Polypropylene Nunc centrifuge tubes | Fisher Scientific | 12-565-286C | |
Centrifuge | Hermle | Z36HK | |
Pd-based hydrogen sensor | Kebaili | KHS-100 | |
4x 15W Hg lamp UV source | Philips | Philips original home solaria |