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

具有导体或半导体材料的贵金属复合材料具有从医疗技术到能量转换系统的广泛应用，但传统的合成方法不适合商业化生产。例如，微波还原是一项强大的技术，但它每批只能处理几毫升，而石墨烯/铂基燃料电池的商业生产需要在几分钟内处理几升悬浮液。为了解决这个问题，我们开发了一个光催化沉积反应器，它易于升级，可以连续运行。

在我们的光沉积系统中，反应物的一小部分在短的可调时间段内被照亮。这使我们能够有效地控制成核和生长过程，即使扩大反应器。首先，用厚、抛光、粘合的铝箔覆盖 15 厘米/55 厘米聚氯乙烯管的内表面。

在管道内部均匀地铺设五、55 瓦的 UV-C 灯。然后，用胶粘铝箔包裹一个0.5厘米的55厘米的石英管，形成几个同样宽的窗户，均匀地在管中间。让 2.5 厘米的管子暴露在每一端。

将石英管安装在 PVC 管的中心以形成照明室，并连接不透明塑料管到两端。然后，将管道垂直安装在烟气罩中，并在下端安装一个重型风扇进行冷却，接下来，在凸起的平台上安装一个磁驱动泵，泵的底部位于磁搅拌板顶部上方。夹紧一升分离漏斗，略高于泵。

使用 T 形贴合和不透明塑料管将分离漏斗出口连接到石英管和磁泵入口的顶部。然后，将管道从石英管底部和泵出口插入一升瓶的隔膜，该瓶装有搅拌棒，使管子的末端比搅拌棒高出两到三厘米。这个瓶子将是储液罐。

接下来，将 T 形接头连接到采样和疏散阀以及一段不透明塑料管的长度。将油管插入储液罐，并将采样阀连接到注射器接头。最后，将一条从储气罐到气泡器的排气管运行。

要开始合成，在装有大型磁搅拌棒的 500 毫升 Erlenmeyer 烧瓶中加入两克石墨和 100 毫升 98% 的重量硫酸。在冰水浴中将混合物冷却至零摄氏度左右，同时搅拌。然后，在搅拌过程中添加一克高锰酸钾，在一分钟内加入。

让混合物继续搅拌四分钟。重复此过程五次，在 30 分钟内总共添加 6 克。加入完成后，取出浴缸，继续搅拌混合物六小时。

然后，在冰水浴中冷却混合物，搅拌15分钟。将250毫升蒸馏水滴入搅拌混合物中。取出冰水浴，在搅拌混合物中滴入10毫升过氧化氢。

然后，一次加入20毫升过氧化氢，并在室温下继续搅拌30分钟。将由此产生的悬浮液在 3，500 g 下离心 15 分钟，然后丢弃上一液。在一升蒸馏水中搅拌固体30分钟，再次离心，取出上一提液，并检查其pH值。

用这种方式清洗固体，直到上当pH值达到5。然后，将洗涤沉淀物与500毫升的一摩尔盐酸混合，搅拌一小时。清洗产品，直到上一液 pH 达到 5。

将洗涤的固体分散在一升蒸馏水中，并在大约室温下对混合物进行三个小时的声波化。在室温下三次将产生的氧化石墨烯混合物在3，500克下离心15至20分钟，每次丢弃沉淀物。将氧化石墨烯悬浮液转移到有色或铝箔包裹的玻璃瓶中。

接下来，在分析平衡上称三个干结晶盘三次。摇动氧化石墨烯悬浮液，让它沉淀一分钟。然后，将正好100毫升的悬浮液倒入每道菜中。

将盘子放在70至80摄氏度的烤箱中，直到里面的东西完全干燥。然后，在相同的分析平衡下称量每道菜三次，并计算每道菜中氧化石墨烯的干重。确定悬浮液与这些值平均值的浓度。

然后，将悬浮液稀释至每升0.2克，然后慢慢将其添加到四摩尔氢氧化钠的等量中。在90摄氏度下将混合物回流8小时，并冷却至室温。将部分还原的氧化石墨烯沉淀，直到上流液达到pH7至8，然后将其存放在有色或铝箔包裹的瓶子中。

在蒸馏水中准备540毫升每毫升50毫克悬浮液，部分还原氧化石墨烯，并在冰水浴中以40%的功率进行一小时。然后，加入60毫升的分析级乙醇，并在冰水浴中对混合物进行声波化一小时。接下来，在石墨烯混合物中加入169微升8%的8%，并在室温下继续搅拌15分钟。

然后，将混合物倒入反应器的分离漏斗中并塞入。打开止反应物，将反应物馈入系统，当漏斗为空时立即关闭，防止气泡从油管中释放。以每分钟 16 升的速度运行泵，以产生稳定气泡的速度将氮气流过反应器。

以约 1，000 rpm 的转速搅拌悬浮液 30 分钟，以去除溶解氧。然后，减少氮气流动，并打开紫外线灯。五分钟后，增加氮气流量，将 20 毫升 Luer-Lok 注射器连接到样品管路。

轻轻握住注射器柱塞，防止其弹出，并打开采样阀。收集 20 毫升悬架，关闭采样阀，然后分离注射器。打开管式排空阀以冲洗油管，然后关闭阀，将氮气流量降低至以前的水平。

将样品在10，000克离心10分钟，并留出上一液进行金属阳离子浓度分析。在蒸馏水中搅拌20毫升，并在相同条件下离心，将固体洗涤两次。之后，通过温和的声波将固体分散在50毫升蒸馏水中一小时。

在分散中溶解一毫克抗坏血酸，并在90摄氏度下搅拌混合物一小时。如上文所述，收集并清洗沉淀物，并储存洗涤沉淀物，以进一步表征。X射线光电子光谱学证实，铂金和金纳米粒子成功地沉积在减少氧化石墨烯和二氧化钛上。

高分辨率铂金4f和黄金4f峰值的去卷积显示没有非金属成分，表明铂金4和金3 c.分别降至铂零和黄金零。每次曝光的照明剂量（IDE）针对每种复合材料进行了优化，以实现小型贵金属纳米粒子在基材上相对均匀的分布。当 IDE 过高时，生长粒子周围的耗竭会不喜欢附近核的形成，从而产生大颗粒和宽大的分布。

通过改变紫外灯的数量和反应器的曝光面积来调整 IDE。当 IDE 过低时，由于光兴奋电子不足以形成稳定的原子核，光沉积不成功，如这里所见。将窗户加宽至两厘米，可产生铂金/石墨烯复合材料所需的光沉积行为。

暴露整个反应器管可提高光沉积率，而不会显著降低颗粒大小和单分散度。通过绘制各种条件下的浓度时间曲线来控制沉积过程，以确定最佳的反应堆设计和 IDE。在线性浓度时间区域中进行光沉积允许在已知循环时间后连续收集产品。

虽然我们演示了铂金/石墨烯复合材料的合成，但这种方法和反应器也可用于在各种半导体上沉积其他贵金属。这种连续流反应器也可用于其他化学合成方法，其中反应由光启动。