方法文章

一种用于金属纳米粒子精确控制沉积的连续流动光催化反应器

DOI：

10.3791/58883

⸱

2019年4月10日

 ,  ,  , 
1Institut des matériaux, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2Laboratory for Functional Polymers, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa), 3Faculty of Engineering and Natural Sciences, Sabanci University, 4SUNUM Nanotechnology Research Centre, Sabanci University

本文内容

摘要

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为了实现无孔和可扩展的纳米复合材料的合成, 研制了一种新型光催化反应器, 并介绍了其结构、工作原理和产品质量优化策略。

摘要

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本文研制了一种用于光催化剂脉冲和控制激发以及金属纳米粒子精确沉积的新型光催化反应器。详细介绍了反应堆的复制及其运行准则。该反应器制备了三种不同的单分散均匀分布颗粒复合体系 (pt/图酮、Pt/tio2 和 au/tio2), 并建立了光沉积机理和合成优化策略,讨论。全面介绍了合成方法及其技术方面。研究了紫外 (UV) 剂量 (在每个激发脉冲中) 对光沉积过程的作用, 给出了每个复合体系的最佳值。

引言

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金属纳米颗粒, 特别是贵金属 (如 Pt、Au、Pd) 在催化1中有着广泛的应用。一般来说, 减小纳米粒子的大小会增加其催化活性, 同时保持成本 (重量) 不变, 但也增加了其应用难度。NPs (通常小于10纳米) 有很大的聚集倾向, 从而降低其催化活性;然而, 在合适的基板上固定化大多可以解决这个问题。此外, 根据应用类型 (例如电催化), 有时有必要将 nps 固定在导电基板 2、3 上。Nps 还可以与半导体杂交, 形成肖特基屏障, 避免 (延迟) 电子孔重组 (充当电子陷阱)4,5。因此, 在大多数应用中, 贵金属 NPs (nnps) 要么沉积在导电 (如石墨烯) 或半导体 (例如, Tio2) 基板上.在这两种情况下, 金属阳离子通常在基板存在的情况下减少, 而还原技术因方法而异。

对于通过减少其阳离子而沉积的 NNPs, 应提供电子 (具有适当的电势)。这可以通过两种方式来实现: 通过氧化其他化学物种 (还原剂)6、7或从外部电源

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方案

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1. 光催化沉积反应器的制备和运行

注意: 打开 UV 灯时, 请使用 UV-C 防护眼镜。

  1. 光催化沉积反应器的研制
    1. 用厚的、抛光的、粘附的铝箔覆盖聚氯乙烯 (PVC) 管的内表面 (直径 x 长度 = 15 厘米 x 55 厘米; 也可使用其他材料)。在管的内表面以相等的距离安装 5个 55 w UV-C 灯 (见材料表)。
    2. 沿 PVC 管的中心轴固定石英管 (直径 x 长度 = 0.5 厘米 x 55 厘米) (同心结构)。对于光触媒的脉冲激发, 用相同的粘结背铝箔覆盖石英管所需的相等长度 (在本工作中, 对于 ptw 石墨烯复合材料: 5 厘米 x 0.4 厘米, 5 厘米 x 2 厘米, 1 厘米 x 50 厘米, 并适用于 Pt/tio2 和 Au/tio2 复合材料: 5 厘米 x 1 厘米). 请注意, 每一侧的石英管2.5 厘米用于连接塑料管。
    3. 在 PVC 管的一端安装重型风扇 (冷却整个照明室)。

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结果

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XPS 是确认金属 NPs 形成和研究其化学状态的最强大的技术之一。为此, 记录了测量光谱和高分辨率光谱 (Pt4f和 au4f), 这证实了金属阳片的完全减少和 nnps 的成功沉积 (图 3)。对于 Pt4f 和au4f的反卷积, 最初进行了 shirley 背景减法。然后, 利用 XPSPEAK 4.1 软件, 用非线性最小二乘曲线将核心电平谱分解为混合高斯 (70% 高斯和30% 的 Lorentzian) 线的分量。所有配件的减少卡方值保持在0.01 以下。Pt4f72和 pt4f52 峰的结合能量分离设置为 3.33 ev, pt4F7/2和 pt4f52峰之间的强度比设置为0.75。Au4f2 和au4f52 的数值分别为 3.71 ev 和0.78。

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讨论

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纳米粒子是最广泛使用的贵金属基催化剂。在几乎所有情况下, NNPs 都沉积在导电或半导体支撑材料上。这种杂交主要是通过在预期的基板 (材料) 存在下减少贵金属的阳离子来完成的。因此, 一种成功的基于 nnp 的纳米复合材料的合成方法应至少满足两个主要要求: 1) 阳离子的还原应高效、完整;2) 沉积速率、位置和数量应可控。在这项工作中, 我们已经证明, 所开发的反应堆 (和合成方法) 能够成功地满足上述两个要求。

XPS 测量光谱 (图 3) 清楚地显示了 Pt 和 AU 在 Rgo 和 tio2 (导电材料和半导体材料) 上的成功沉积。高分辨率 Pt4f和 au4f峰的反褶积没有发现非金属成分, 这证明了 Prgo 和 tio2 的光催化还原方法可以完全还原 Pt4 +和 au3 +pt 0 和 au0。考虑到沉积产率和所需时间 (

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

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作者感谢 Sabanci 大学和瑞士联邦材料科学和技术实验室 (Empa) 提供的所有支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
氯铂酸溶液Sigma Aldrich262587-50ML
四氯金酸氢 （III） 水合Alfa Aesar12325.03
TiO2 纳米粉末（TiO2，锐钛矿，99.9%，100nm）美国研究纳米材料US3411
石墨粉Alfa Aesar10129
硫酸 Sigma Aldrich1120802500
过氧化氢Sigma AldrichH1009-100ML
L-抗坏血酸Sigma AldrichA92902-500G
盐酸Sigma Aldrich320331-2.5L
氢氧化钠Sigma AldrichS5881-1KG
高锰酸钾默克1050821000
康宁® 用于 GL45 螺帽的硅胶隔垫Sigma Aldrich （Corning）CLS139545SS
聚氯乙烯管Koctas紫外线反应器外壳
去壳二氧化硅（石英）管技术玻璃产品
UV−C 灯 飞利浦TUV PL-L 55W/4P HF 1CT/25
物

参考文献

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  1. 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).
  2. Shakoori Oskooie, M., Menceloglu, Y. Z., Unal, S., Hayat Soytas, S.

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