Herstellung und Verwendung von photokatalytisch aktiven segmentierte Ag | ZnO und TiO Koaxial 2 Ag-Nanodrähte Hergestellt von gestützte Elektrochemische Abscheidung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Schritte zu erklären, die unternommen werden, um segmentierte Nanodrähte mit einer einfachen und reproduzierbaren Methode namens Templated Electro Deposition herzustellen, und eine einfache Methode zum Nachweis von Wasserstoffgas in photokatalytischen Wasserspaltungsexperimenten zu zeigen. Dies wird erreicht, indem zunächst die Membran vorbereitet wird, die als Vorlage für die Abscheidung von Nanodrähten mit einer bestimmten Form und Größe dient. Diese Vorbereitung umfasst das Sputtern einer Goldschicht für den elektrischen Kontakt und eines Glasschiebers für die Isolierung.

Der zweite Schritt besteht darin, die gewünschten Materialien in den Matrizenporen mit Elektroden abzuscheiden, und durch die Durchführung mehrerer Abscheidungsschritte innerhalb derselben Matrize können segmentierte Nanodrähte hergestellt werden. Anschließend werden die Nanodrähte aus der Schablone gelöst und in die Lösung überführt, die für photokatalytische Experimente verwendet wird. Der letzte Schritt besteht darin, den Aufbau für die photokatalytische Wasserstoffentwicklung vorzubereiten.

Letztlich wird ein Wasserstoff-Gassensor in Kombination mit UV-Bestrahlung verwendet, um zu zeigen, dass diese Nanodrähte photokatalytisch aktiv sind und für die autonome Wasserstoffbildung genutzt werden können. Einer der Hauptvorteile der Herstellung von Nanodrähten durch Schablonen-Elektroabscheidung besteht darin, dass viele verschiedene Zusammensetzungen hergestellt werden können. Der Prozess wird in Acquia-Lösungen unter Mundbedingungen durchgeführt und erfordert keine teure Ausrüstung.

In diesem Video zeigen wir, wie man photokatalytische Nanodrähte für die Wasserstoffbildung herstellt, aber die gleiche Methode kann auch angewendet werden, um Nanodrähte für Photovoltaik, Thermoelektrik, Brennstoffzellen und viele andere Anwendungen herzustellen. Beginnen Sie dieses Verfahren, indem Sie eine Polycarbonat-Spurätz- oder PCTE-Membran mit einem äußeren Gießdurchmesser von 200 Nanometern und einer Dicke von sechs Mikrometern auswählen. Der Durchmesser der hier verwendeten Membran beträgt 25 Millimeter.

Anschließend wird auf der Rückseite der Membran mit Hilfe einer handelsüblichen Sputteranlage eine Goldschicht gesputtert. In diesem Fall wurde ein Abscheidungsdruck von zweimal 10 auf minus Sekunden Millibar mit Argon als Sputtergas und eine langsame Abscheidungsrate von etwa 13 Nanometern pro Minute verwendet. Diese Goldschicht wird als elektrischer Kontakt während der Elektroabscheidung verwendet.

Nach dem Sputtern der Goldschicht auf der PCTE-Membran besteht der nächste Schritt darin, einen kleinen Glasobjektträger mit vier kleinen Streifen doppelseitigem Klebeband entlang der Kanten des Objektträgers auf der goldbeschichteten Seite der Membran zu befestigen. Dieser Objektträger wird verwendet, um eine selektive Elektroabscheidung im Inneren der Membran zu gewährleisten. Güsse für mechanische Stabilität.

Klebe ein kleines Stück Kupferband auf den Teil der Membran, der aus dem Glasschieber herausragt. Da das Kupferband leitend ist, kann die Krokodilklemme der Arbeitselektrode an das Kupferband angehängt werden. Verbessern Sie die Haftung der Membran auf dem Objektträger, indem Sie Teflonband um die Ränder legen.

Dies wird für Ablagerungen bei erhöhten Temperaturen empfohlen. Bereiten Sie vor der Herstellung des Silbersegments eine wässrige Lösung vor, die Silbernitrat und Borsäure enthält, und stellen Sie den pH-Wert auf 1,5 ein. Die vorbereitete PCTE-Membran wird unter Verwendung von Salpetersäure mit einer Platin-Gegenelektrode und einer Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode kombiniert.

In der vorbereiteten Lösung wird ein Potential von positiven 0,1 Volt gegen die Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode angelegt. Entfernen Sie 30 Sekunden lang die Elektroden aus der Lösung und spülen Sie sie mit Milli Q Wasser aus. Um das Zinkoxid-Segment zuerst herzustellen, bereiten Sie eine wässrige Lösung vor, die 0,1 molare Zinknitrathexahydrate enthält.

Erhitzen Sie anschließend die Lösung mit einem Wasserbad auf 60 Grad Celsius und setzen Sie die Membran mit dem Silbersegment ein. Zusammen mit einer Platin-Gegenelektrode und einer Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode in der erhitzten Lösung wird 20 Minuten lang ein Potential von minus einem Volt gegenüber der Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode angelegt. Gemäß den Anweisungen des Herstellers von Potentialstats ist es wichtig, die IT-Kurve während der Elektrodenabscheidung zu überprüfen, da ein unlogischer Strom oder ein Nullstrom auf einen schlechten Kontakt hinweist.

Entfernen Sie nach 20 Minuten die Elektroden aus der Lösung und spülen Sie sie mit milli Q Wasser ab. Dieses gesamte Verfahren zur Elektroabscheidung von Silber- und Zinkoxid-Nanodrahtsegmenten muss viermal wiederholt werden, um genügend Nanodrähte für ein signifikantes Signal vom Wasserstoffsensor zur Extraktion des Silber-Zinkoxids zu erhalten. Nanodrähte schneiden die Membran mit den Nanodrähten aus dem Glasobjektträger ab und übertragen einen Teil der Membran auf ein Zentrifugenröhrchen aus Polypropylen.

Fügen Sie etwa zwei Milliliter Chlormethan hinzu, um die PCTE-Membran aufzulösen und die Nanodrähte in die Lösung abzugeben. Nach ca. 30 Minuten sollte die Membran vollständig aufgelöst sein. Tragen Sie ein kleines Tröpfchen der DI-Chlormethanlösung, die Nanodrähte enthält, auf einen kleinen Siliziumwafer für die Rasterelektronenmikroskopie-Analyse auf.

Die erhaltene Lösung wird bei etwa 19.000 μg fünf Minuten lang zentrifugiert, das überschüssige Dichlormethan entfernt und frisches Dichlormethan zugegeben. Wiederholen Sie den Vorgang mindestens dreimal, um sicherzustellen, dass alle Polycarbonate entfernt wurden. Nach der letzten Wäsche mit Dichlormethan und der Entfernung des überschüssigen Chlormethans geben Sie UE-Wasser in die Nanodrahtzentrifuge, entsorgen Sie das Wasser und fügen Sie frisches Milli Q-Wasser hinzu.

Wiederholen Sie diese Wäsche mindestens dreimal, um das gesamte Chlormethan vollständig durch Milli Q-Wasser zu ersetzen. Der Wasserstoffsensor, der in den Wasserstoffbildungsexperimenten verwendet wird, wird aus einem Wasserstoffsensor auf Palladiumbasis hergestellt. Der Sensor befindet sich in einem NS-Stecker, der auf ein Quarzrohr passt.

Schließen Sie den Sensor an eine standardmäßige Wheatstone-Brückenschaltung an. Dieses Schema veranschaulicht einen typischen Aufbau für die Detektion von Wasserstoffgas, das aus photokatalytischen Nanodrähten entwickelt wurde. Um mit der photokatalytischen Wasserstoffbildung zu beginnen, geben Sie die wässrige Nanodrahtlösung in ein 72-Milliliter-Quarzröhrchen.

Füge mehr Wasser hinzu, bis sich insgesamt 10 Milliliter Wasser im Quarzrohr befinden. Fügen Sie dann 40 Milliliter Methanol hinzu. Beginnen Sie mit der Aufzeichnung des Signals vom palladiumbasierten Wasserstoffsensor, bevor Sie ihn auf das Quarzrohr aufsetzen, und überwachen Sie die Signalschwankung.

Setzen Sie nach etwa 200 Sekunden stabilem Signal den Wasserstoffsensor auf das Quarzrohr und schalten Sie gleichzeitig die UV-Lichtquelle ein, um die eigentliche Messung zu starten. Hier können Sie sehen, wie sich Wasserstoffgasblasen aus den Nanodrähten entwickeln, wenn sie in einer Methanol-Wasserlösung dispergiert werden. Während der Abscheidung kann der Strom, der zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode gemessen wird, in einer IT-Kurve visualisiert werden. Denn die Strömung steht in direktem Zusammenhang mit der Menge des abgelagerten Materials über das Faradaysche Gesetz.

Der beobachtete Strom ist ein wichtiger Hinweis darauf, wie die Abscheidung auf einer typischen IT-Kurve verläuft. Für die Abscheidung von Silber-Zinkoxid-Nanodrähten ist im linken Feld dargestellt. Die Abscheidung von Titandioxid-Silber-Nanodrähten wurde in diesem Video nicht demonstriert, aber im rechten Bild ist eine typische IT-Kurve zu sehen.

In diesem Rasterelektronenmikroskopie-Bild sind typische axial segmentierte Silber-Zinkoxid-Nanodrähte zu sehen. Die nächste Reihe von Rasterelektronenmikroskopie-Bildern zeigt leere Titandioxid-Nanoröhren, einen koaxialen Titandioxid-Nanodraht und Titandioxid-Nanoröhren mit Silber-Nanopartikeln. Diese Diagramme zeigen das Signal, wie es vom Sensor erfasst wurde, und das gleiche Signal nach der Umwandlung in den Zeitrahmen der tatsächlichen Wasserstoffgasbildung.

Die roten Linien stellen die Reaktion des Sensors während der UV-Bestrahlung von Silber-Zinkoxid dar. Nanodrähte in einer Methanol-Wasserlösung und die blauen Linien stellen ein Referenzexperiment ohne Nanodrähte dar. Wenn die UV-Lichtquelle nach 17,5 Minuten eingeschaltet wurde, fällt das Signal aufgrund der Lichtempfindlichkeit des Sensors erheblich ab.

Unmittelbar nach diesem Signalabfall beginnt die Reaktion und folglich wurde dieser Moment in Feld B als T gleich null Minute definiert, und das entsprechende Signal wurde als null Volt definiert. Da der verwendete Sensor leicht querempfindlich gegenüber Methanol ist, wurde auch die Messung einer Referenzprobe ohne Nanodrähte einbezogen, wie in diesen Ergebnissen während der UV-Beleuchtung gezeigt, das Signal der Probe mit Nanodrähten war höher als das Signal der Referenzprobe. Die Wasserstoffgasbildung unter Verwendung der Zinkoxid-Nanodrähte von Silber hörte typischerweise nach etwa 48 Stunden UV-Beleuchtung auf, was durch die Beendigung der Gasblasenbildung belegt wird. Der Grund für diesen Aktivitätsverlust ist die Photokorrosion von Zinkoxid.

Dieses Rasterelektronenmikroskopie-Bild zeigt einen fotokorrodierten Silber-Zinkoxid-Nanodraht. Nach 48 Stunden UV-Beleuchtung ist die Oberfläche des Zinkoxid-Segments viel rauer als die eines neu synthetisierten Nanodrahtes. In der Literatur werden mehrere Verfahren zur Hemmung des Photokorrosionsprozesses von Zinkoxid beschrieben.

Alternativ verweisen wir auf das beigefügte Manuskript für eine Synthesemethode von koaxialen Titandioxid-Silbernanodrähten, die für eine autonome Spaltung ohne Anzeichen von Photokorrosion verwendet werden können. Zusätzliche Funktionalitäten wie autonome Nanodrahtbewegungen oder externe Magnetlenkung können durch die Integration zusätzlicher Segmente wie Platin, Gold oder Nickel realisiert werden. Auf diese Weise können multifunktionale Nanodrähte hergestellt werden.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Nanodrähte herstellt, einschließlich einer einfachen Möglichkeit zur Isolierung der Membran. Sie sollten auch in der Lage sein, ihre photokatalytische Aktivität mit einem einfachen Wasserstoffsensor zu testen.