En este informe se describe un protocolo para la síntesis de compuestos de Ag-zeolita luminiscentes sensibles a la humedad.
Artículo de método
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En este informe se describe un protocolo para la síntesis de compuestos de Ag-zeolita luminiscentes sensibles a la humedad.
Pequeños cúmulos de plata confinados dentro de matrices de zeolita han surgido recientemente como un nuevo tipo de materiales altamente luminiscentes. Su emisión tiene una alta eficiencia cuántica externa (EQE) y abarca todo el espectro visible. Recientemente se ha informado que la luminiscencia excitada por UV de las zeolitas de sodio Linde tipo A parcialmente intercambiadas con Li [LTA (Na)] que contienen clústeres de plata luminiscente se puede controlar ajustando el contenido de agua de la zeolita. Estas muestras mostraron un cambio dinámico en su color de emisión de azul a verde y amarillo al aumentar el nivel de hidratación de la zeolita, mostrando el gran potencial que estos materiales pueden tener como sensores de humedad basados en luminiscencia a escala macro y micro. Aquí, describimos el procedimiento detallado para fabricar un prototipo de sensor de humedad utilizando compuestos de zeolita intercambiados con plata. El sensor se produce suspendiendo las Ag-zeolitas luminiscentes en una solución acuosa de polietilenimina (PEI) para depositar posteriormente una película del material sobre una placa de cuarzo. La placa recubierta se somete a varios ciclos de hidratación/deshidratación para mostrar la funcionalidad de la película de detección.
Pequeño subnanométricas racimos de plata oligoatomic formadas por autoensamblaje en matrices de zeolita confinados mostrar las propiedades ópticas únicas. 1-5 Tales compuestos de plata en zeolitas tienen una gran química y foto-estabilidad. Sin embargo, sus propiedades de fotoluminiscencia dependen del entorno local de los grupos de plata altamente. Las condiciones ambientales que influyen en las características ópticas en materiales compuestos de plata y de zeolita se pueden dividir en las propiedades intrínsecas y extrínsecas. Las propiedades intrínsecas están relacionados con la topología de la zeolita, el tipo de contra iones de equilibrio, y la carga de plata. 1 Por otro lado, las propiedades extrínsecos están asociadas a los cambios post-sintéticos, tales como la presencia de adsorbatos o moléculas de agua en el zeolita cavidades. 3,4 las últimas propiedades confieren a la plata-zeolita compuestos la capacidad de responder ópticamente a los estímulos externos, tales como variaciones de la humedad dentro de la zeolita andamio 6-8 o la presencia de gases determinados; por lo tanto, su uso como sensores de vapor de agua y gas ha sugerido 9,10.
En un estudio reciente se ha demostrado que la respuesta óptica de Ag-zeolitas a la humedad, no sólo se correlaciona con cambios en la absorción o la extinción de su emisión, sino también a la aparición de diferentes colores de emisión con respecto a su contenido de agua. 5 La estabilización de agrupaciones de plata en parte Li intercambió zeolitas LTA condujeron a la formación de una humedad del material sensible en el cual los cambios en la escala relativa baja humedad se refleja en un cambio de color dinámico de un azul de emisión verde / amarillo en muestras deshidratadas e hidratadas, respectivamente . Por lo tanto se propuso el uso de estos materiales como sensores de humedad basados en la luminiscencia. Hasta la fecha, se han propuesto diferentes tipos de materiales tales como electrolitos, cerámicas, polímeros y materiales compuestos nanoestructurados para vigilar los cambios en la humedad bAISD en las respuestas eléctricas y ópticas. 11,12 En este protocolo detallado nuestro objetivo es mostrar una prueba de concepto para la aplicación de las zeolitas LTA (Li) -ag como sensores de humedad y para la evolución futura de prototipo. Debido a la versatilidad de LTA zeolitas (Li) -ag a ser incorporados en diferentes sustratos, su potencial de escalabilidad y fabricación rentable, el diseño del prototipo podría facilitarse. 13 Tales sensores podrían tener una aplicación potencial en diferentes sectores industriales, como en la agricultura, así como la industria del automóvil y el papel. 14
Precaución: Los productos químicos y los reactivos utilizados en este informe fueron manejados con cuidado el uso de las protecciones adecuadas de seguridad (batas de laboratorio, guantes, gafas de seguridad, campanas de extracción). Este estudio se ocupa de la manipulación de materiales inorgánicos microporosos (zeolitas con tamaños que van desde 1 a 5 micras), por lo tanto, especial atención se dirige al uso de una adecuada protección contra el polvo (mascarillas contra el polvo). Recomendamos la consulta de los datos de seguridad del producto (MSDS) de los productos químicos y los reactivos empleados en este trabajo antes de su uso para la manipulación adecuada y / o eliminación de residuos.
1. La zeolita Pretratamiento
2. Preparación de luminiscentes LTA (Na) -ag de zeolita Composites
3. Preparación de luminiscentes [LTA (Li) -ag] zeolita Composites
4. La fabricación de un LTA (Li) -ag / polietilenimina (PEI) Compuesto película depositada para aplicaciones de detección de humedad
Nota: El procedimiento de deposición utilizado en este informe ha sido modificada y adaptada de la referencia 18.
micrografías SEM de la zeolita LTA-Ag se registraron después de la etapa de intercambio de cationes y de tratamiento térmico. Posteriormente, la fotoluminiscencia de dos dimensiones (2D) de excitación / emisión parcelas se midieron tanto para el LTA hidratado (Na) -ag y LTA (Li) zeolitas -ag (Figura 1). El análisis elemental se realizó por XPS en la Ag intercambió zeolitas para determinar su composición química. El análisis muestra que el intercambio de plata en LTA (Na) y LTA zeolitas (Li) es muy estrecha con un porcentaje en peso de plata del 19,6% en peso y 21,5% en peso, respectivamente. La diferencia en porcentaje de peso podría atribuirse al peso atómico inferior de átomos de Li. Además, el análisis elemental mostró también que después del intercambio Li se sustituye 33% de Na. El intercambio de cationes y la posterior etapa de tratamiento térmico realizado en las muestras no parecen afectar a la estructura de los cristales de LTA, como se demostró por SEM. Por otra parte, la formación de plata más grande nanoparticles en la superficie de los cristales de zeolita no se visualizó. Las propiedades luminiscentes difieren en gran medida entre tanto la LTA (Li) y las muestras -ag LTA (Na) -ag en su estado hidratado. Mediante la incorporación de litio en el entramado de la zeolita como un catión de equilibrado, un cambio azul en el máximo de excitación se produce a partir de 370 nm a 260 nm, para LTA (Na) -ag y LTA (Li) -ag, respectivamente. En contraste, el máximo de emisión se somete a un pequeño desplazamiento hacia el rojo 550-565 nm mediante la adición de Li en el sistema. La mayor diferencia entre estas muestras se observa en sus eficiencias cuánticas externos (EQE). LTA (Na) zeolitas -ag poseen un EQE de alrededor de 4% en su máximo de excitación (370 nm), mientras que el EQE para LTA (Li) zeolitas -ag alcanza 62% (cuando se excita a 260 nm). Esto da como resultado un polvo de color amarillo brillante de emisión bajo 254 nm UV iluminación.
Las propiedades luminiscentes de la muestra LTA (Li) -ag también dependen del contenido de agua de lasistema. Esto se demostró por una combinación de TGA y de temperatura dependiente de experimentos de luminiscencia, TGA se correlaciona la temperatura a nivel de hidratación de la zeolita. Además, la temperatura era indirectamente relacionada con el color de emisión que muestra el LTA muestra (Li) -ag mediante el uso de una célula de la calefacción de la casa (Figura 2). Los cambios de color amarillo emisión de más de verde a azul, al retirar el agua del sistema de LTA (Li) -ag. El EQE cae constantemente, pasando de 62% (estado hidratado) al 21% (estado deshidratado).
Debido a la comportamiento sensible de agua de LTA (Li) -ag, se utilizó este material para fabricar un prototipo de sensor de humedad basado luminiscencia suspendiendo el polvo en una solución de PEI y, posteriormente, revistiendo por pulverización el material compuesto sobre una placa de cuarzo. Fotografías (bajo la luz del día y la iluminación UV) micrografías de SEM y de la película LTA (Li) -ag / PEI recubierto por pulverización se muestran en la Figura 3. Hemos observado que por USI ng se obtuvo este procedimiento de recubrimiento, una capa relativamente homogénea del compuesto de polímero-zeolita en términos de luminiscencia. La micrografía SEM muestra que los cristales de zeolita no son alteradas por el procedimiento de recubrimiento. Mediante el uso de una célula en la casa de calefacción / de vacío era también demostró que la película de polímero-zeolita conserva las propiedades sensibles a agua que se observaron en la zeolita en forma de polvo.

Figura 1: Las imágenes SEM y las propiedades luminiscentes de plata intercambiaron zeolitas LTA micrografías SEM y parcelas de excitación-emisión 2D de LTA (Na) -ag (a, b) y LTA (Li) -ag (c, d).. Las inserciones en las parcelas de excitación-emisión 2D muestran los colores de emisión simuladas de las muestras con diferentes longitudes de onda de excitación (254, 300, 366 y 450 nm). OAD / 54674 / 54674fig1large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Efecto del nivel de hidratación de las propiedades luminiscentes de LTA (Li) -ag. a) Representación esquemática de la celda de calentamiento / vacío de la casa empleada en este estudio b) parcela TGA para el LTA (Li) -ag muestra c) los espectros de emisión normalizada (a 260 nm de excitación) de la LTA (Li).. - muestra de Ag medido a diferentes temperaturas. d) Esquema que muestra el cambio de color de las emisiones de muestras reales con respecto al contenido de agua. por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Figura 3: sensor de humedad luminiscentes basados en una combinación de LTA (Li) -ag / PEI. a) Las fotografías de la placa recubierta con iluminación de la luz del día. (B, c) Imágenes de la placa de deshidratado e hidratada recubierto bajo irradiación de luz UV 254 nm, respectivamente. D) Micrografía SEM de la película depositada que muestra la distribución de LTA (Li) cristales -ag en la superficie de cuarzo. El recuadro muestra una ampliación de una zona seleccionada de la micrografía SEM originales. E) de emisión máximos de la hidratado y deshidratado PEI / LTA (Li) -ag compuesto zeolita, durante 10 hidratación / deshidratación ciclos utilizando 260 nm como longitud de onda de excitación. F) parcela mostrando la emisión de perfiles máximos comportamiento de la PEI / LTA (Li) -ag compuesto de zeolita después de 10 ciclos de hidratación / deshidratación. por favor, haga clic aquí para VIew una versión más grande de esta figura.
Se produjo un dispositivo simple para demostrar la prueba de concepto del uso de LTA (Li) -Ag como sensor de humedad basado en luminiscencia mediante recubrimiento por pulverización del polvo LTA (Li) -Ag suspendido en una solución de PEI sobre una placa de cuarzo. La solución de PEI produce una capa de polímero con espesor homogéneo cuando el agua se evapora. La capa compuesta de polímero-zeolita muestra propiedades luminiscentes similares a las de la zeolita en forma de polvo. El compuesto de zeolita PEI / LTA (Li) -Ag muestra las propiedades luminiscentes de respuesta al agua esperadas, cuyo color de emisión cambia según las variaciones en el contenido de agua presente en el compuesto a una escala de humedad relativamente baja.
La sustitución de Na por iones de Li en zeolitas LTA (tasa de cambio calculada del 33%) tiene un impacto notable en el autoensamblaje y la estabilización de los grupos de plata luminiscentes en los andamios LTA (Li), lo que conduce a propiedades ópticas únicas. El EQE de LTA(Li)-Ag en comparación con las muestras de LTA(Na)-Ag se ve reforzado en más de un orden de magnitud. Además, los colores de emisión mostrados por las muestras LTA(Li)-Ag dependen del agua, lo que proporciona una aplicación potencial de las muestras como sensores de humedad basados en luminiscencia.
Por lo tanto, hemos demostrado un método fácil para fabricar un sensor de humedad luminiscente similar a una película a través del cual los cambios en los niveles de hidratación se pueden monitorear visualmente simplemente usando una lámpara UV. La disponibilidad de las materias primas, la visualización directa de los cambios de color correlacionados con el contenido de humedad, la fotoestabilidad de las películas y la relativa facilidad de fabricación de dispositivos rentables hacen que estos materiales luminiscentes sean candidatos potenciales para competir con los sensores de humedad de última generación basados en respuestas eléctricas. El procedimiento descrito en este informe también podría aplicarse y extenderse a diferentes sustratos, a diferentes micro y macro escalas, para hacer que el sensor sea más flexible. Además, en este protocolo se discutieron varios pasos críticos durante la fabricación de Ag-zeolitas, que juegan un papel importante en la determinación de las propiedades ópticas finales de dichos materiales. Por ejemplo, la limpieza previa del material de zeolita en bruto conduce a la eliminación de impurezas ópticas y químicas, así como a una distribución homogénea del tamaño de los cristales de zeolita. Esto es crucial para la incorporación de zeolitas en dispositivos funcionales. Una limitación de la metodología actual es la restricción del uso de sensores de película delgada más allá de 75 °C. Esto se debe principalmente a la descomposición del polímero PEI, más que a la degradación de las zeolitas LTA(Li)-Ag, que pueden soportar hasta 500 °C. El uso de polímeros resistentes al calor, como el alcohol polivinílico, podría ampliar el rango de temperatura hasta 200 °C. Esperamos que las investigaciones adicionales se dirijan al desarrollo de metodologías para la síntesis de compuestos nanoestructurados de Ag-zeolita con propiedades (multi)funcionales y, finalmente, al diseño de prototipos de sensores avanzados.
Los autores no tienen nada que revelar.
Los autores agradecen el apoyo financiero del gobierno federal belga (Belspo a través de los programas IAP VI/27 e IAP-7/05), el Séptimo Programa Marco de la Unión Europea (FP7/2007-2013 en virtud del acuerdo de subvención n.º 310651 SACS), el gobierno flamenco en forma de financiación estructural a largo plazo "Methusalem" subvención METH/08/04 CASAS, el programa SoPPoM "Strategisch Initiatief Materialen", y la subvención del Fondo para la Investigación Científica de Flandes (FWO) G.0349.12. W.B. agradece al departamento de química de la KU Leuven por una beca FLOF. Los autores agradecen a la UOP Amberes por la amable donación de muestras de zeolita y al taller mecánico de la KU Leuven por ayudar con el diseño y la construcción de la celda de calentamiento/vacío utilizada en este estudio.
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| LTA(Na) zeolita | UOP | Molsiv adsorbente 4A | |
| plata | Sigma Aldrich | 209139 | ≥ 99.0% |
| Nitrato de litio | Sigma Aldrich | 62574 | ≥ 99.0%, calc. en sustancias secas |
| Solución de polietileno | Sigma Aldrich | 3880 | ~50% H2O |
| Microscopio electrónico de barrido (SEM) | JEOL | JSM-6010LV | |
| Analizador termogravimétrico | TA instruments | Q500 | |
| Espectrofluorímetro | Edinburgh instruments | FLS980-s | |
| Esfera integradora | Labsphere | 4P-GPS-033-SL |