כור זרימה רציפה Photocatalytic לתצהיר בדיוק מבוקרת של חלקיקים מתכתיים

מרוכבים של מתכות אציליות עם מוליכים או חומרים מוליכים למחצה יש יישומים עצומים החל טכנולוגיה רפואית למערכות המרת אנרגיה, אבל שיטות הסינתזה הקונבנציונליות שלהם אינם מתאימים לייצור מסחרי. לדוגמה, הפחתת מיקרוגל היא טכניקה רבת עוצמה, אבל זה יכול לעבד רק כמה מיליליטר בכל אצווה, בעוד ייצור מסחרי של תאים דלק מבוססי גרפן / פלטינה יצטרך לעבד כמה ליטרים של השעיה בתוך דקות. כדי לטפל בבעיה זו, פיתחנו כור תצהיר פוטו-קלטתי שניתן בקלות לשנות את קנה המידה שלו והוא יכול לפעול ברציפות.

במערכת הצילום שלנו, חלקים קטנים מהמגייבים מוארים לפרקי זמן קצרים ומתכווננים. זה מאפשר לנו לשלוט ביעילות בתהליכי הגרעין והצמיחה גם כאשר מדרגים את הכור. כדי להתחיל, לכסות את המשטח הפנימי של צינור אלומיניום 15 ס"מ על ידי 55 ס"מ פוליוויניל כלוריד עם עבה, מלוטש, רדיד אלומיניום מגובה דבק.

חלל חמש, 55 ואט מנורות UV-C באופן שווה סביב החלק הפנימי של הצינור. לאחר מכן, לעטוף צינור קוורץ 0.5 ס"מ על ידי 55 ס"מ עם חתיכות של רדיד אלומיניום מגובה דבק כדי ליצור כמה חלונות רחבים באותה מידה במים באופן שווה באמצע הצינור. השאירו 2.5 ס"מ של הצינור חשוף בכל קצה.

התקינו את צינור הקוורץ במרכז צינור PVC כדי ליצור את תא התאורה, וחברו צינורות פלסטיק אטומים לכל קצה. לאחר מכן, הר את הצינור אנכית במכסה המנוע של אדים, ותקן מאוורר כבד בקצה התחתון לקירור, הבא, להקים משאבת כונן מגנטי על פלטפורמה מוגבהת עם החלק התחתון של המשאבה מעל החלק העליון של צלחת ערבוב מגנטי. מהדק משפך מפריד של ליטר אחד גבוה יותר מהמשאבה.

השתמש צינורות פלסטיק T-הולם אטום כדי לחבר את שקע משפך ההפרדה לראש צינור קוורץ ואת מפרצון המשאבה המגנטית. לאחר מכן, הכנס את הצינור מתחתית צינור הקוורץ ואת שקע המשאבה דרך מחיצה של בקבוק של ליטר אחד מצויד בר ערבוב, כך הקצוות של הצינורות הם שניים עד שלושה סנטימטרים מעל בר מערבבים. הבקבוק הזה יהיה המאגר.

לאחר מכן, חבר T-התאמה שסתומי דגימה ופינוי ואורך של צינורות פלסטיק אטומים. הכנס את הצינורות לתוך המאגר, וחבר את שסתום הדגימה להתאמת מזרק. לבסוף, להפעיל קו פליטת גז מהמאגר לבועה מים.

כדי להתחיל את הסינתזה, להוסיף שני גרם של גרפיט ו 100 מיליליטר של 98% על ידי חומצה גופרתית משקל לבקבוק ארלנמייר 500 מיליליטר מצויד בר ערבוב מגנטי גדול. מקררים את התערובת ל-10 מעלות בערך באמבט מי קרח תוך כדי ערבוב. לאחר מכן, מוסיפים גרם אחד של אשלגן פרמנganate במהלך דקה אחת תוך ערבוב.

תן לתערובת להמשיך לבחוש עוד ארבע דקות. חזור על תהליך זה חמש פעמים נוספות כדי להוסיף סך של שישה גרם במהלך 30 דקות. לאחר התוספת הושלמה, להסיר את האמבטיה, ולהמשיך ערבוב התערובת במשך שש שעות.

לאחר מכן, מקררים את התערובת באמבט מי קרח תוך ערבוב במשך 15 דקות. מוסיפים 250 מיליליטר של מים מזוקקים dropwise לתערובת ערבוב. הסר את אמבט מי הקרח, ולהוסיף 10 מיליליטר של מי חמצן dropwise לתערובת ערבוב.

לאחר מכן, מוסיפים 20 מיליליטר של מי חמצן בבת אחת, וממשיכים לבחוש בטמפרטורת החדר במשך 30 דקות. צנטריפוגה ההשעיה וכתוצאה מכך ב 3, 500 גרם במשך 15 דקות, ולהשליך את supernatant. מערבבים את המוצקים בליטר אחד של מים מזוקקים במשך 30 דקות, צנטריפוגה אותם שוב, להסיר את supernatant, ולבדוק את ה- pH שלה.

לשטוף את המוצקים בדרך זו עד pH על טבעי מגיע חמש. לאחר מכן, לשלב את המשקע שטף עם 500 מיליליטר של חומצה הידרוכלורית טוחה אחת, ומערבבים במשך שעה אחת. לשטוף את המוצר עד pH על טבעי מגיע חמש.

מפזרים את המוצקים השחוקים בליטר אחד של מים מזוקקים, ומפזרים את התערובת במשך שלוש שעות בטמפרטורת החדר. צנטריפוגה תערובת תחמוצת גרפן וכתוצאה מכך במשך 15 עד 20 דקות ב 3, 500 גרם בטמפרטורת החדר שלוש פעמים, השלכת המשקע בכל פעם. מעבירים את מתלי תחמוצת גרפן לבקבוק זכוכית כהה או עטוף בנייר כסף.

לאחר מכן, שקל שלוש מנות התגבשות יבשות במאזן אנליטי שלוש פעמים כל אחת. לנער את ההשעיה תחמוצת גרפן היטב, ולתת לו להסתפק דקה אחת. לאחר מכן, יוצקים בדיוק 100 מיליליטר של ההשעיה לתוך כל מנה.

שומרים את הכלים בתנור בטמפרטורה של 70 עד 80 מעלות עד שתכולתם יבשה לחלוטין. לאחר מכן, לשקול כל מנה שלוש פעמים על אותו איזון אנליטי, ולחשב את המשקל היבש של תחמוצת גרפן בכל מנה. לקבוע את ריכוז ההשעיה מהממוצע של ערכים אלה.

לאחר מכן, לדלל את ההשעיה ל 0.2 גרם לליטר, לאט להוסיף אותו לנפח שווה של ארבעה טוחנת נתרן הידרוקסיד. לנפח את התערובת ב 90 מעלות צלזיוס במשך שמונה שעות, ולתת לו להתקרר לטמפרטורת החדר. לשטוף את תחמוצת גרפן מופחת חלקית לזרז עד supernatant מגיע pH שבע עד שמונה, ולאחר מכן לאחסן אותו בבקבוק כהה או עטוף בנייר כסף.

הכינו 540 מיליליטר של השעיה של 50 מיליגרם למיליליטר של תחמוצת גרפן מופחתת חלקית במים מזוקקים, וניקטוסו באמבט מי קרח למשך שעה ב-40% חשמל. לאחר מכן, מוסיפים 60 מיליליטר של אתנול בדרגה אנליטית, ומצקים את התערובת באמבט מי קרח למשך שעה נוספת. לאחר מכן, הוסיפו 169 מיקרוליטרים של 8% על ידי חומצה משושים מים במשקל לתערובת גרפן, והמשיכו לבחוש בטמפרטורת החדר במשך 15 דקות.

לאחר מכן, יוצקים את התערובת לתוך המשפך המפריד של הכור ולעצור אותו. פתח את stopcock כדי להאכיל את מגיב לתוך המערכת, ומיד לסגור אותו כאשר המשפך ריק כדי לשמור על בועות גז מתוך צינורות. הפעל את המשאבה ב 16 ליטר לדקה, ולהזרים גז חנקן דרך הכור בקצב שמייצר זרם קבוע של בועות.

מערבבים את ההשעיה בערך 1,000 סל"ד במשך 30 דקות כדי להסיר חמצן מומס. לאחר מכן, להפחית את זרימת החנקן, ולהדליק את מנורות UV. לאחר חמש דקות, להגדיל את זרימת החנקן, ולחבר מזרק לור לוק 20 מיליליטר לקו המדגם.

החזק קלות את בוכנה המזרק כדי למנוע ממנו להיפלט, ולפתוח את שסתום הדגימה. לאסוף 20 מיליליטר של ההשעיה, לסגור את שסתום הדגימה, ולנתק את המזרק. פתח את שסתום פינוי הצינור כדי לשטוף את הצינור, ולאחר מכן לסגור את השסתום ולהפחית את זרימת גז החנקן לרמה הקודמת שלה.

צנטריפוגה המדגם ב 10, 000 גרם במשך 10 דקות, ולהניח בצד את העל טבעי לניתוח ריכוז יון מתכת. לשטוף את המוצקים פעמיים על ידי ערבוב ב 20 מיליליטר חלקים של מים מזוקקים צנטריפוגה באותם תנאים. לאחר מכן, לפזר את המוצקים ב 50 מיליליטר של מים מזוקקים על ידי sonication עדין במשך שעה אחת.

ממיסים מיליגרם אחד של חומצה אסקורבית בפיזור, ומערבבים את התערובת ב 90 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת. לאסוף ולשטוף את המשקע כפי שתואר קודם לכן, ולאחסן את המשקע שטף לאפיון נוסף. ספקטרוסקופיית פוטואלקטרוניקה של קרני רנטגן אישרה שננו-חלקיקי פלטינה וזהב הופקדו בהצלחה על תחמוצת גרפן מופחתת וטיטניום דו-חמצני.

Deconvolution של ברזולוציה גבוהה פלטינה 4f וזהב 4f פסגות הראו שום רכיבים שאינם מתכתיים, המציין כי פלטינה ארבעה וזהב שלושה cations הופחת פלטינה אפס וזהב אפס, בהתאמה. מינון התאורה לכל חשיפה, או IDE, היה אופטימיזציה עבור כל מרוכב כדי להשיג חלוקה אחידה יחסית של חלקיקי מתכת אציליים קטנים על המצעים. כאשר IDE היה גבוה מדי, דלדול סביב חלקיקים גדלים disfavored היווצרות של גרעינים בקרבת מקום, וכתוצאה מכך חלקיקים גדולים והפצה בגודל רחב.

IDE הותאם על ידי שינוי מספר מנורות UV ואת אזור החשיפה של הכור. כאשר IDE היה נמוך מדי, פוטופוזיציה לא הצליחה, בשל אלקטרונים פוטוסקסואלים מספיק להיווצרות גרעין יציב, כפי שניתן לראות כאן. הרחבת החלונות לשני סנטימטרים יצרה את התנהגות הפוטודפוזיציה הרצויה עבור מרוכב הפלטינה/גרפן.

חשיפת צינור הכור כולו הגדילה את קצב הצילום מבלי להתפשר באופן משמעותי על גודל החלקיק והמונודיספרות. תהליך התצהיר נשלט על ידי התוויית עקומות זמן ריכוז בתנאים שונים כדי לזהות את תכנון הכור האופטימלי ואת IDE. ניהול photodeposition באזור זמן ריכוז ליניארי מאפשר איסוף מתמשך של המוצר לאחר זמן מחזור ידוע.

למרות שאנו מדגימים את הסינתזה של מרוכבים פלטינה / גרפן, שיטה זו כור יכול לשמש להפקדת מתכות אציליות אחרות על מוליכים למחצה שונים מדי. כור זרימה רציפה זה יכול לשמש גם עבור שיטות סינתזה כימית אחרות שבהן התגובות מופעלות עם אור.