Un réacteur à flux continu photocatalytique pour le dépôt précisément contrôlé de nanoparticules métalliques

Les composites de métaux nobles avec des matériaux conducteurs ou semi-conducteurs ont de vastes applications allant de la technologie médicale aux systèmes de conversion d’énergie, mais leurs méthodes de synthèse conventionnelles ne conviennent pas à la production commerciale. Par exemple, la réduction des micro-ondes est une technique puissante, mais elle ne peut traiter que quelques millilitres dans chaque lot, tandis que la production commerciale de piles à combustible à base de graphène/platine devrait traiter plusieurs litres de suspension en quelques minutes. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un réacteur de dépôt photocatalytique qui est facilement haut de gamme et peut fonctionner en continu.

Dans notre système de photodéposition, de petites portions des répressifs sont éclairées pendant de courtes périodes réglables. Cela nous permet de contrôler efficacement les processus de nucléation et de croissance, même lors de l’intensification du réacteur. Pour commencer, recouvrez la surface intérieure d’un tuyau de chlorure de polyvinyle de 15 centimètres sur 55 centimètres d’une feuille d’aluminium épaisse, polie et soutenue par l’adhésif.

Espace cinq lampes UV-C de 55 watts uniformément autour de l’intérieur du tuyau. Ensuite, enveloppez un tube de quartz de 0,5 centimètre par 55 centimètres avec des morceaux de papier d’aluminium adhésif pour former plusieurs fenêtres tout aussi larges espacées uniformément au milieu du tube. Laissez 2,5 centimètres du tube exposé à chaque extrémité.

Installez le tube de quartz au centre du tube de PVC pour former la chambre d’éclairage, et connectez le tube en plastique opaque à chaque extrémité. Ensuite, monter le tuyau verticalement dans un capot de fumée, et fixer un ventilateur robuste à l’extrémité inférieure pour le refroidissement, Suivant, mettre en place une pompe à entraînement magnétique sur une plate-forme surélevée avec le fond de la pompe au-dessus du haut d’une plaque magnétique remuer. Serrez un entonnoir séparateur d’un litre juste plus haut que la pompe.

Utilisez un tube en plastique à raccord T et opaque pour connecter la sortie de l’entonnoir séparateur au sommet du tube de quartz et à l’entrée de la pompe magnétique. Ensuite, insérez le tube à partir du fond du tube de quartz et la sortie de la pompe à travers le septum d’une bouteille d’un litre équipée d’une barre de remue-chocs de sorte que les extrémités du tube sont de deux à trois centimètres au-dessus de la barre de remous. Cette bouteille sera le réservoir.

Ensuite, connectez un raccord en T aux vannes d’échantillonnage et d’évacuation et à une longueur de tuyaux en plastique opaque. Insérez le tube dans le réservoir et connectez la vanne d’échantillonnage à un raccord de seringue. Enfin, faire fonctionner une conduite d’échappement de gaz du réservoir à un bubbler d’eau.

Pour commencer la synthèse, ajoutez deux grammes de graphite et 100 millilitres de 98% d’acide sulfurique de poids à une fiole Erlenmeyer de 500 millilitres équipée d’une grande barre magnétique. Refroidir le mélange à environ zéro degré Celsius dans un bain d’eau glacée en remuant. Ajouter ensuite un gramme de permanganate de potassium pendant une minute en remuant.

Laisser le mélange continuer à remuer encore quatre minutes. Répétez ce processus cinq fois de plus pour ajouter un total de six grammes au cours de 30 minutes. Une fois l’ajout terminé, retirer le bain et continuer à remuer le mélange pendant six heures.

Ensuite, refroidir le mélange dans un bain d’eau glacée tout en remuant pendant 15 minutes. Ajouter 250 millilitres d’eau distillée dropwise au mélange remuant. Retirer le bain d’eau glacée et ajouter 10 millilitres de peroxyde d’hydrogène dans le sens de la goutte au mélange en remuant.

Ajouter ensuite 20 millilitres de peroxyde d’hydrogène en même temps et continuer à remuer à température ambiante pendant 30 minutes. Centrifuger la suspension résultante à 3500 g pendant 15 minutes, et jeter le supernatant. Remuer les solides dans un litre d’eau distillée pendant 30 minutes, les centrifuger à nouveau, enlever le supernatant, et vérifier son pH.

Lavez les solides de cette façon jusqu’à ce que le pH supernatant atteigne cinq. Ensuite, mélanger le précipité lavé avec 500 millilitres d’acide chlorhydrique une molaire, et remuer pendant une heure. Lavez le produit jusqu’à ce que le pH supernatant atteigne cinq.

Dispersez les solides lavés dans un litre d’eau distillée et sonia le mélange pendant trois heures à température ambiante environ. Centrifugeuse le mélange d’oxyde de graphène résultant pendant 15 à 20 minutes à 3500 g à température ambiante trois fois, jetant le précipité à chaque fois. Transférer la suspension d’oxyde de graphène dans une bouteille en verre teintée ou enveloppée de papier d’aluminium.

Ensuite, pesez trois plats de cristallisation sèche sur un équilibre analytique trois fois chacun. Secouez bien la suspension d’oxyde de graphène et laissez-la se contenter d’une minute. Verser ensuite exactement 100 millilitres de suspension dans chaque plat.

Gardez la vaisselle au four à 70 à 80 degrés Celsius jusqu’à ce que leur contenu soit complètement sec. Ensuite, pesez chaque plat trois fois sur le même équilibre analytique, et calculez le poids sec de l’oxyde de graphène dans chaque plat. Déterminer la concentration de la suspension par rapport à la moyenne de ces valeurs.

Ensuite, diluer la suspension à 0,2 grammes par litre, et lentement l’ajouter à un volume égal d’hydroxyde de sodium quatre molaire. Reflux du mélange à 90 degrés Celsius pendant huit heures, et laisser refroidir à température ambiante. Lavez le précipité partiellement réduit d’oxyde de graphène jusqu’à ce que le supernatant atteigne le pH sept à huit, puis rangez-le dans une bouteille teintée ou enveloppée de papier d’aluminium.

Préparez 540 millilitres d’une suspension de 50 milligrammes par millilitre d’oxyde de graphène partiellement réduit dans de l’eau distillée, et soniquez-le dans un bain d’eau glacée pendant une heure à 40% de puissance. Ajouter ensuite 60 millilitres d’éthanol de qualité analytique et sonifier le mélange dans un bain d’eau glacée pendant une autre heure. Ensuite, ajouter 169 microlitres de 8% par poids aqueux acide hexachloroplatinic au mélange de graphène, et continuer à remuer à température ambiante pendant 15 minutes.

Ensuite, versez le mélange dans l’entonnoir séparateur du réacteur et arrêtez-le. Ouvrez le robinet d’arrêt pour alimenter le répressif dans le système, et fermez-le immédiatement lorsque l’entonnoir est vide pour empêcher les bulles de gaz de sortir du tube. Faire fonctionner la pompe à 16 litres par minute, et faire passer le gaz azoté à travers le réacteur à une vitesse qui produit un flux régulier de bulles.

Remuer la suspension à environ 1000 rpm pendant 30 minutes pour enlever l’oxygène dissous. Ensuite, réduisez le flux d’azote et allumez les lampes UV. Après cinq minutes, augmenter le débit d’azote et connecter une seringue Luer-Lok de 20 millilitres à la ligne d’échantillonnage.

Tenez légèrement le piston de seringue pour l’empêcher d’être éjecté et ouvrez la vanne d’échantillonnage. Recueillir 20 millilitres de la suspension, fermer la vanne d’échantillonnage et détacher la seringue. Ouvrez la vanne d’évacuation du tube pour rincer le tube, puis fermez la vanne et réduisez le débit de gaz azoté à son niveau précédent.

Centrifuger l’échantillon à 10 000 g pendant 10 minutes, et réserver le supernatant pour l’analyse de la concentration de cation métallique. Lavez les solides deux fois en remuant dans des portions de 20 millilitres d’eau distillée et en centrifugant dans les mêmes conditions. Après cela, dispersez les solides en 50 millilitres d’eau distillée par sonication douce pendant une heure.

Dissoudre un milligramme d’acide ascorbique dans la dispersion, et remuer le mélange à 90 degrés Celsius pendant une heure. Recueillir et laver le précipité tel qu’il a été décrit précédemment, et entreposer le précipité lavé pour une caractérisation plus complète. La spectroscopie de photoélectron de rayon X a confirmé que des nanoparticules de platine et d’or ont été avec succès déposées sur l’oxyde réduit de graphène et le dioxyde de titane.

La déconvolution des pics de platine 4f à haute résolution et d’or 4f n’a montré aucun composants non métalliques, ce qui indique que les trois cations platine quatre et or avaient été réduites à zéro platine et zéro or, respectivement. La dose d’éclairage par exposition, ou IDE, a été optimisée pour chaque composite afin d’obtenir une distribution relativement uniforme de petites nanoparticules métalliques nobles sur les substrats. Lorsque l’IDE était trop élevé, l’épuisement autour des particules croissantes a défavorisé la formation de noyaux à proximité, entraînant de grosses particules et des distributions de grande taille.

L’IDE a été ajusté en modifiant le nombre de lampes UV et la zone d’exposition du réacteur. Lorsque l’IDE était trop faible, la photodéposition n’a pas abouti, en raison de l’insuffisance des électrons photoexcités pour la formation stable du noyau, comme on le voit ici. L’élargissement des fenêtres à deux centimètres a produit le comportement de photodéposition désiré pour le composite platine/graphène.

L’exposition de l’ensemble du tube du réacteur a augmenté le taux de photodéposition sans compromettre de manière significative la taille et la monodispersité des particules. Le processus de dépôt est contrôlé en traçant les courbes de temps de concentration dans diverses conditions afin d’identifier la conception optimale du réacteur et l’IDE. La conduite de la photodéposition dans la région du temps de concentration linéaire permet la collecte continue du produit après un temps de circulation connu.

Bien que nous démontrons la synthèse des composites platine/graphène, cette méthode et ce réacteur peuvent également être utilisés pour le dépôt d’autres métaux nobles sur divers semi-conducteurs. Ce réacteur à flux continu peut également être utilisé pour d’autres méthodes de synthèse chimique dans lesquelles les réactions sont initiées par la lumière.