Metalik nano tanecikleri tam kontrollü birikimi için sürekli akış Fotokatalitik reaktör

Metalik nano tanecikleri, özellikle asil metaller (örneğin, Pt, Au, Pd) kataliz¹‘ büyük uygulamalar var. Genel olarak, nano tanecikleri (NPs) boyutunu küçültme katalitik faaliyetlerini maliyet (ağırlık) sabit koruyarak artırır, ancak aynı zamanda daha uygulanmasını güçleştirir. NPs (genellikle 10 daha küçük nm) katalitik faaliyetlerini; alçaltır toplama için büyük eğilimleri var Ancak, immobilizasyon uygun yüzeyler üzerinde çoğunlukla bu sorunu çözebilirsiniz. Ayrıca, uygulama türüne bağlı olarak (örneğin, electrocatalysis), bazen NPs iletken yüzeylerde^2,3hareketsiz gereklidir. NPs Ayrıca Schottky bariyer oluşturmak ve (gecikme) elektron delikli rekombinasyon (elektron tuzakları vekil)^4,5önlemek için yarı iletkenler ile melezleşmiştir. Bu nedenle, uygulamaların çoğunda, noble metal NPs (NNPs) olan bir iletken üzerine yatırılır (örneğin, grafen) veya bir semiconductive (örneğin, TiO₂) substrat. Her iki durumda da, metal katyonlar genellikle huzurunda substrat azalır ve bir yöntemden diğerine azaltma tekniği farklıdır.

Onların katyonlar bir azalma ile NNPs ifade için elektron (uygun elektrik potansiyeli ile) sağlanmalıdır. İki yolla yapılabilir: oksidasyon diğer kimyasal türler (bir indirgeyici)^6,7 ‘ nin veya bir harici güç kaynağı⁸tarafından. Her durumda, monodispersed NPs homojen ifade için üretimi ve (azalan) elektron transferi sıkı bir denetimi empoze gereklidir. Beri hemen hemen azaltma işleminin kontrolü (katyonlar ve indirgeyici) Reaktanları karışınca bir indirgeyici kullanıldığında bunun çok zor olduğunu. Ayrıca, NPs herhangi bir yerde oluşabilir ve hedef substrat şart değil. Bir harici güç kaynağı kullanırken sağlanan elektron sayısı üzerinde kontrol daha iyidir, ancak NPs yalnızca bir elektrot yüzeyinde yatırılır.

Fotokatalitik ifade (PD), doğrudan ışıklı fotonlar (ile uygun dalga boyu) doz ilgili bu yana daha fazla (fotoğraf) sayısı üzerinden kontrol sunuyor elektron oluşturulan alternatif bir yaklaşımdır. Bu yöntemde, substrat malzeme ikili bir rol vardır; azalan bakiyeli elektron⁹ sağlar ve kurulan NPs¹⁰stabilize. Ayrıca, NPs yalnızca alt katman elektron beri formunda substrat tarafından oluşturulur. Bileşik bileşenler (Fotokatalitik azaltma yöntemi tarafından yapılan) arasında uygun bir elektrik bağlantı da¹¹garantilidir. Yine de, geleneksel Fotokatalitik ifade yöntemleri, hangi aynı anda Reaktanları (photocatalyst ve metal katyon) tüm toplu yandığından NNPs çekirdekleşme üzerinde herhangi bir kontrolü var. Gerçekten de, bir kez birkaç parçacıklar (çekirdek) oluşur, onlar photogenerated elektron⁵ için tercih edilen aktarım siteleri olarak hareket ve tercih edilen büyüme site olarak hareket. Bu üstün elektron transferi varolan parçacıklar büyümesini destekler ve büyük NNPs oluşumuna neden olan yeni çekirdek oluşumu disfavors. Bu sorun, UV ışığı son zamanlarda bizim grup¹²tarafından geliştirilen özel bir sürekli akış reaktör (şekil 1) içinde darbeli aydınlatma tarafından saptanabilir. Özelliği bu reaktör, yani her iki NP boyutunu belirleyen faktörlerin kontrolü araştırmacılar, çekirdekleşme ve büyüme vermesidir. Bu reaktörde Reaktanları çok küçük bir bölümünü (daha fazla çekirdeği oluşur) çekirdek oluşumu teşvik ve (daha küçük parçacıklar elde) büyüme kısıtlama zaman, çok kısa bir süre için aydınlatılır. Bu yöntem (örneğin, [tepki tüp; ele geçen bölümlerini uzunluğunu değiştirme pozlama süresi ayarlayarak aydınlatma doz kontrol ederek, Resim 1 C] veya olay ışığın [lambalar sayısı]), sayı photogenerated elektron ve sonuç olarak, azaltma süreci (NNP ifade) üzerinde çok kesin bir denetim sarf.

Resim 1 : Fabrikasyon Fotokatalitik ifade reaktör. (A) reaktör. (B) aydınlatma odası içinde. (C) A kuvars tüp 5 cm x 1 cm aydınlatma pozlama uzunluğu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

PD yöntemi NNPs kontrollü birikimi için büyük potansiyel rağmen uygulama için yarıiletken malzemeler sınırlıdır. Neyse ki, onun basit kimyasal functionalization tarafından grafen (bir en iyi iletken yüzeylerde¹³) bir geniş bant boşluk açmak mümkündür. Daha sonra bu fonksiyonel gruplar (FGs)-ebilmek var olmak çıkarmak çoğunlukla ve elde edilen Grafin-ecek hareketsiz var olmak yeterli için en-in belgili tanımlık kullanma iletken. Functionalized çok sayıda grafen türevleri arasında önemli yarıiletken özellikleri¹⁴sergiler, Grafin oksit (GO), bu amaç için en umut verici adaydır. Gerçeğini esas olarak diğerleri arasında verim yüksek üretim ‘s GO üretim vardır nedeni bu. Yine de, bu yana git FGs farklı türde oluşur, kimyasal kompozisyonunu UV ışık altında sürekli olarak değişir. Biz son zamanlarda zayıf gümrüklü FGs (kısmi azaltma; seçici bir kaldırma tarafından göstermiştir PRGO), kimyasal yapısı ve elektronik özellikleri go, NNPs¹²homojen ifadeleri için bir temel gereksinimi olan stabilize. Bu rapordaki reaktör yapısını tanımlamak ve onun çoğaltma ve işlem için ayrıntılı bilgi sağlar. İfade mekanizması (reaktör mekanizmasının çalışma) ve olası optimizasyon stratejileri de ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Gelişmiş PD uygulanabilirliği doğrulamak için reaktör ortak yüzeylerde (iletken ve yarı iletken) ve farklı NNPs, ifade PRGO ve TiO₂platin, hem de altın TiO₂, her iki tür için gösterilmiştir. Bu metal, photocatalyst ve öncü malzemeler (örneğin, tuz, deliği leşçi) ve dispersiyon ortamı uygun bir seçim tarafından da (Ag ve Pd¹⁵gibi) çeşitli metal parçacıklar yatırmış dikkat çekicidir. İlke-NNPs photodeposition içinde katyonlar metal elektronlar photoexcited tarafından azaltılır yana semiconductor’ın iletim bant en az (CBM) enerji düzeyi ile eşleşmelidir (daha fazla negatif olmak) azaltma potansiyeli yönelik özellikler. Kapsamlı teknik üretim yönleri nedeniyle PRGO sentezi de ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Kimyasal yapısı ve PRGO elektronik özellikleri ile ilgili daha fazla bilgi için lütfen önceki çalışma¹²‘ ye bakın.

Reaktör detaylı yapısının şematik Şekil 2‘ de tasvir edilir. Reaktör iki ana bileşenden oluşur: bir rezervuar bölme ve UV aydınlatma. Aydınlatma bölümü tam olarak silindirik tüp Merkezi ekseni boyunca parlak alüminyum liner ile sabit bir kuvars tüp oluşur. Havzanın 1 L kapalı kap cam şişe gaz ve sıvı (Reaktanları) giriş ve çıkışları ile oluşur. Silikon septum bir üstü açık vida kapaklı tüpler eklemek için kullanın. Örnekleri reaksiyonu sırasında oksijen reaktör girin izin olmadan almak, bir çıkış bir vana ile de yüklenir. Burada üzerinde belirli zaman aralıklarında örnekleme nanocomposite üretim sürecinin bir parçası değildir ve sadece örnekleme sentez parametreleri (uygulanması her kümesi için toplama zamanı eğriler elde etmek için bir kez yapılması gereken belirtilmelidir Bu eğrileri tartışma bölümünde ele alınacaktır). Havzanın şiddetle bir manyetik karıştırıcı karışık iken bir buz-su banyosu içinde yer alıyor. Manyetik bir pompa tepki Odası (aydınlatma bölümü) ve tekrar havzanın kontrollerimiz rezervuar dolaşır. Manyetik bir yüksek akış oranları gerekli olduğundan kullanılır (Bu iş akış hızı 16 L·min^-1=) ve Peristaltik Pompalar (veya benzer diğer pompalar) pek bu akışı sağlayabilir. Manyetik bir pompa kullanırken, tamamen (pompa gövdesi) kasa fan kontrollerimiz sıvı ile doldurun ve herhangi bir kapana kısılmış hava (oksijen kaynağı) tahliye için özen gösterilmelidir. Kapana kısılmış hava da pompa’nın gerçek akış hızını düşürebilir.

Photocatalyst malzemenin belirli kuvars boru uzunlukları pulsed uyarma kaplı için kalın alüminyum folyo tarafından aralarında eşit uzunlukta bırakarak (Şekil 2) ortaya çıkardı. Darbeli uyarma süresi ortaya çıkarılan parçalar (pozlama uzunluğu) uzunluğunu değiştirerek ayarlanabilir. Optimum pozlama photocatalyst ve amaçlanan NP yükleme (öncüleri konsantrasyon; bkz: tartışma) kuantum verimi gibi çeşitli parametreleri tarafından belirlenir.