为了实现贵金属基纳米复合材料的连续化和可规模化合成，开发了一种新型光催化反应器，并描述了其结构、工作原理及产物质量优化策略。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
本研究开发了一种新型光催化反应器，可实现光催化剂的脉冲式可控激发以及金属纳米颗粒的精确沉积。文中详细提供了该反应器的复制方法及其操作指南。利用该反应器制备了三种不同的复合体系（Pt/石墨烯、Pt/TiO2 和 Au/TiO2），所得颗粒单分散且分布均匀，并讨论了光沉积机理及合成优化策略。本文全面描述了合成方法及其技术细节，研究了每次激发脉冲中紫外（UV）剂量对光沉积过程的影响，并给出了每种复合体系的最优参数值。
引言
金属纳米颗粒，尤其是贵金属（如 Pt、Au、Pd）在催化领域具有广泛的应用1。通常，在保持成本（质量）不变的前提下，减小纳米颗粒（NPs）的尺寸可提高其催化活性，但同时也增加了其应用难度。NPs（通常小于10 nm）极易发生团聚，从而导致催化活性下降；然而，通过将其固定在合适的基底上，可在很大程度上解决这一问题。此外，根据具体应用类型（如电催化），有时需要将NPs固定在导电基底上2,3。NPs还可与半导体材料复合，形成肖特基势垒，以抑制（或延缓）电子-空穴复合（充当电子陷阱）4,5。因此，在大多数应用中，贵金属纳米颗粒（NNPs）通常被负载在导电基底（如石墨烯）或半导体基底（如 TiO2）上。在这两种情况下，金属阳离子通常在基底存在下被还原，而具体的还原方法则因制备工艺不同而有所差异。
通过阳离子还原沉积纳米颗粒（NNPs）时，需要提供具有适当电势的电子。这可以通过两种方式实现：由其他化学物质（还原剂）发生氧化反应提供电子6,7，或由外部电源提供电子
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 光催化沉积反应器的制备与操作
警告：开启紫外灯时，请使用紫外-C防护眼镜。
- 光催化沉积反应器的制备
- 用厚实、抛光且带粘合背衬的铝箔覆盖聚氯乙烯（PVC）管（直径 × 长度 = 15 cm × 55 cm；也可使用其他材料）的内表面。在管内表面等间距安装五根55 W的紫外C波段（UV-C）灯（见材料表）。
- 沿PVC管的中心轴固定一根石英管（直径 × 长度 = 0.5 cm × 55 cm），呈同轴配置。为实现光催化剂的脉冲激发，用相同的带粘合背衬的铝箔覆盖石英管上所需等长的区段（本研究中，对于Pt/石墨烯复合材料：5 cm × 0.4 cm、5 cm × 2 cm 和 1 cm × 50 cm；对于Pt/TiO2 和 Au/TiO2 复合材料：5 cm × 1 cm）。注意石英管两端各预留2.5 cm用于连接塑料管。
- 在PVC管的一端安装一台大功率风扇（用于冷却整个照明室）。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
XPS 是确认金属纳米颗粒形成及其化学状态的最强大技术之一。为此，记录了全谱图和高分辨率谱图（Pt4f 和 Au4f），结果证实金属阳离子已完全还原，并成功沉积了纳米颗粒（图3）。对于 Pt4f 和 Au4f 谱图的解卷积，首先进行 Shirley 背景扣除。随后，使用 XPSPEAK 4.1 软件，通过非线性最小二乘曲线拟合方法，将内层电子能级谱图分解为若干组分峰，峰形采用混合高斯/洛伦兹函数（70% 高斯和 30% 洛伦兹）。所有拟合的约化卡方值均保持在 0.01 以下。Pt4f7/2 与 Pt4f5/2 峰的结合能差值设定为 3.33 eV，Pt4f7/2 与 Pt4f5/2 峰的强度比设定为 0.75。Au4f7/2 与 Au4f5/2 的对应值分别为 3.71 eV 和 0.78。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
纳米颗粒是基于贵金属催化剂中最广泛使用的形式。在几乎所有情况下，纳米颗粒都会被负载在导电或半导体支撑材料上。这种杂化通常通过在目标基底（材料）存在下还原贵金属阳离子来实现。因此，一种成功的纳米颗粒基纳米复合材料的合成方法至少应满足两个主要要求：1）阳离子的还原应高效且完全；2）沉积的速率、位置和数量应可控。在本研究中，我们证明了所开发的反应器（及合成方法）能够成功满足上述两项要求。
XPS 全谱（图3）清楚地表明 Pt 和 Au 已成功沉积在 RGO 和 TiO2 上（分别为导电材料和半导体材料）。高分辨率 Pt4f 和 Au4f 峰的解卷积结果显示不存在非金属组分，这证实了利用 PRGO 和 TiO2 的光催化还原方法能够将 Pt4+ 和 Au3+ 分别完全还原为 Pt0 和 Au0。结合沉积产率及所需时间（
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢萨班哲大学和瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）提供的所有支持。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氯铂酸溶液 | Sigma Aldrich | 262587-50ML | |
| 四氯金酸(III)水合物 | Alfa Aesar | 12325.03 | |
| 二氧化钛纳米粉末（TiO2，锐钛矿型，99.9%，100 nm） | US research nanomaterials | US3411 | |
| 石墨粉 | Alfa Aesar | 10129 | |
| 硫酸 | Sigma Aldrich | 1120802500 | |
| 过氧化氢 | Sigma Aldrich | H1009-100ML | |
| L-抗坏血酸 | Sigma Aldrich | A92902-500G | |
| 盐酸 | Sigma Aldrich | 320331-2.5L | |
| 氢氧化钠 | Sigma Aldrich | S5881-1KG | |
| 高锰酸钾 | Merck | 1050821000 | |
| Corning® GL45螺口盖用硅胶隔垫 | Sigma Aldrich (Corning) | CLS139545SS | |
| 聚氯乙烯管 | Koctas | 紫外反应器外壳 | |
| 熔融石英（石英）管 | Technical Glass Products | ||
| UV−C 灯管 | Philips | TUV PL-L 55W/4P HF 1CT/25 |
参考文献
- Okitsu, K., Mizukoshi, Y. Catalytic Applications of Noble Metal Nanoparticles Produced by Sonochemical Reduction of Noble Metal Ions. Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry. Ashokkumar, M. , Springer. Singapore. 325-363 (2016).
- Shakoori Oskooie, M., Menceloglu, Y. Z., Unal, S., Hayat Soytas, S.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
