In questo rapporto viene descritto un protocollo per la sintesi di compositi Ag-zeolite luminescenti sensibili all'umidità.
Articolo metodologico
* These authors contributed equally
In questo rapporto viene descritto un protocollo per la sintesi di compositi Ag-zeolite luminescenti sensibili all'umidità.
Piccoli ammassi d'argento confinati all'interno di matrici di zeolite sono recentemente emersi come un nuovo tipo di materiali altamente luminescenti. La loro emissione ha un'elevata efficienza quantistica esterna (EQE) e copre l'intero spettro visibile. È stato recentemente riportato che la luminescenza eccitata dai raggi UV delle zeoliti di sodio Linde di tipo A parzialmente scambiate con litio [LTA(Na)] contenenti cluster d'argento luminescenti può essere controllata regolando il contenuto d'acqua della zeolite. Questi campioni hanno mostrato un cambiamento dinamico nel loro colore di emissione dal blu al verde e al giallo all'aumentare del livello di idratazione della zeolite, mostrando il grande potenziale che questi materiali possono avere come sensori di umidità basati sulla luminescenza su scala macro e micro. Qui descriviamo la procedura dettagliata per fabbricare un prototipo di sensore di umidità utilizzando compositi di zeolite scambiati con argento. Il sensore è prodotto sospendendo le Ag-zeoliti luminescenti in una soluzione acquosa di polietilenimmina (PEI) per depositare successivamente un film del materiale su una lastra di quarzo. La piastra rivestita è sottoposta a diversi cicli di idratazione/disidratazione per mostrare la funzionalità del film di rilevamento.
Piccolo sub-nanometrica grappoli d'argento oligoatomic formati da auto-assemblaggio in matrici zeolite ristretti visualizzare le proprietà ottiche uniche. 1-5 Tali composti d'argento-zeolite hanno alta chimica e la foto-stabilità. Tuttavia, le proprietà di fotoluminescenza sono fortemente dipendenti l'ambiente locale dei cluster argento. Le condizioni ambientali che influenzano le caratteristiche ottiche in compositi argento zeolite possono essere suddivisi in proprietà intrinseche ed estrinseche. Proprietà intrinseche sono legati alla topologia zeolite, il tipo di ioni di controbilanciamento, e il carico di argento. 1 D'altra parte, proprietà estrinseche sono associate ai cambiamenti post-sintetici, quali la presenza di adsorbati o molecole di acqua nella zeolite cavità. 3,4 quest'ultima proprietà conferiscono ad argento-zeolite Panelli la capacità di rispondere otticamente a stimoli esterni, quali variazioni di umidità all'interno della zeolite scaffold 6-8 o la presenza di gas determinati; pertanto il loro uso come sensori vapore acqueo e gas è stato suggerito. 9,10
In un recente studio abbiamo dimostrato che la risposta ottica di Ag-zeoliti di umidità non solo è correlato ai cambiamenti nell'assorbimento o tempra della loro emissione, ma anche alla comparsa di diversi colori di emissione rispetto al loro contenuto di acqua. 5 La stabilizzazione dei cluster d'argento in parte Li scambiati zeoliti LTA portato alla formazione di un materiale di umidità-sensibile in cui le variazioni di scala relativa bassa umidità sono riflesse in un cambio dinamico del colore da blu a emissione verde / giallo in campioni disidratati e idrati, rispettivamente, . Pertanto è stato proposto l'uso di questi materiali come sensori di umidità luminescenza-based. Fino ad oggi, i diversi tipi di materiali come elettroliti, ceramiche, polimeri e compositi nanostrutturati sono stati proposti per il monitoraggio dei cambiamenti di umidità based sulle risposte elettriche e ottiche. 11,12 In questo protocollo dettagliato ci proponiamo di dare prova di una proof-of-concept per l'applicazione delle zeoliti LTA (Li) -AG come sensori di umidità e per ulteriori sviluppi prototipo. Grazie alla versatilità di LTA zeoliti (Li) -ag essere incorporati in diversi substrati, il loro potenziale scalabilità e fabbricazione economica, la progettazione del prototipo potrebbe essere facilitato. 13 Tali sensori potrebbero avere potenziale applicabilità in diversi settori industriali, come ad esempio in agricoltura, così come l'industria automobilistica e della carta. 14
Attenzione: I prodotti chimici e reagenti utilizzati nella presente relazione sono stati maneggiati con cura utilizzando le adeguate protezioni di sicurezza (camici, guanti, occhiali di sicurezza, cappe). Questo studio si occupa della manipolazione di materiali inorganici microporosi (zeoliti con dimensioni che vanno da 1 a 5 micron), quindi una particolare attenzione era rivolta al uso di un'adeguata protezione antipolvere (maschere antipolvere). Si consiglia la consultazione dei dati di sicurezza materiale pertinente (MSDS) dei prodotti chimici e reagenti impiegati in questo lavoro prima dell'uso per una corretta manipolazione e / o lo smaltimento dei rifiuti.
1. Zeolite pre-trattamento
2. Preparazione di luminescenti LTA (Na) -AG Zeolite Compositi
3. Preparazione di luminescenti [LTA (Li) -AG] Zeolite Composites
4. Realizzazione di un LTA (Li) -AG / polietilenimmina (PEI) Composito depositato Film per umidità Sensing Applications
Nota: La procedura di deposizione utilizzata in questo rapporto è stato modificato e adattato da riferimento 18.
SEM micrografie della zeolite LTA-Ag sono stati registrati dopo la fase di scambio cationico e trattamento termico. Successivamente la fotoluminescenza bidimensionali (2D) di eccitazione / trame di emissione sono stati misurati sia per il idratata LTA (Na) -AG e LTA (Li) zeoliti -AG (Figura 1). Analisi elementare è stata eseguita sul XPS Ag scambiate zeoliti per determinare la loro composizione chimica. L'analisi mostra che lo scambio d'argento su LTA (Na) e LTA zeoliti (Li) è molto stretto con una percentuale in peso di argento del 19,6% in peso e 21,5% in peso, rispettivamente. La differenza in percentuale in peso potrebbe essere ascritta al peso atomico inferiore atomi Li. Inoltre l'analisi elementare ha anche mostrato che, dopo lo scambio Li 33% di Na è sostituito. Lo scambio cationico e la successiva fase di trattamento termico eseguito sui campioni non sembrano influenzare la struttura dei cristalli LTA, come dimostrato da SEM. Inoltre, la formazione di argento ingrandisci nanoparticles sulla superficie dei cristalli di zeolite non era visualizzate. Le proprietà luminescenti in gran parte differiscono sia la LTA (Li) -AG e campioni LTA (Na) -AG nel loro stato idratato. Incorporando litio nell'ambito zeolite come catione controbilanciamento, uno spostamento blu in eccitazione massima si verifica da 370 nm a 260 nm, per LTA (Na) -ag e LTA (Li) -ag rispettivamente. In contrasto massimo di emissione subisce un piccolo spostamento rossa da 550 al 565 nm aggiungendo Li nel sistema. La più grande differenza tra questi campioni si osserva nelle loro efficienza quantica esterna (EQE). LTA (Na) zeoliti -ag possiedono un EQE di circa 4% al massimo di eccitazione (370 nm), mentre la EQE per LTA (Li) zeoliti -ag raggiunge 62% (quando eccitato a 260 nm). Questo si traduce in un giallo brillante Emitting polvere sotto 254 nm UV illuminazione.
Le proprietà luminescenti del campione LTA (Li) -ag dipendono anche il contenuto di acqua delsistema. Questo è stato dimostrato da una combinazione di TGA e temperatura dipendente esperimenti luminescenza, TGA correla la temperatura al livello di idratazione della zeolite. Inoltre, la temperatura sia indirettamente correlata al colore di emissione mostrata dal campione LTA (Li) -ag utilizzando una cella di riscaldamento interno (figura 2). Le variazioni di colore dal giallo delle emissioni oltre verde al blu, quando si rimuove l'acqua dal sistema di LTA (Li) -AG. Il EQE scende costantemente dal 62% (stato idratato) al 21% (stato di disidratazione).
A causa del comportamento reattivo in acqua di LTA (Li) -ag, questo materiale è stato usato per fabbricare un prototipo di sensore di umidità luminescenza basato sospendendo la polvere in una soluzione PEI e successivamente spruzzare rivestimento composito su una piastra di quarzo. Immagini (sotto la luce del giorno e UV illuminazione) e SEM micrografie del film LTA (Li) -AG / PEI spruzzo rivestite vengono visualizzati in figura 3. Abbiamo osservato che da USI ng questa procedura di rivestimento, uno strato relativamente omogenea del composito polimero zeolite in termini di luminescenza è stata ottenuta. La micrografia SEM mostra che i cristalli di zeolite non sono alterati dalla procedura di rivestimento. Utilizzando un riscaldamento / cella a vuoto in casa è stato anche dimostrato che il film polimerico-zeolite mantiene le proprietà reattivo in acqua che sono stati osservati nella zeolite in forma di polvere.

Figura 1: foto SEM e proprietà luminescenti dell'argento scambiati zeoliti LTA micrografie SEM e 2D trame eccitazione-emissione di LTA (Na) -ag (a, b) e LTA (Li) -ag (c, d).. Gli inserti nelle trame di eccitazione-emissione 2D lo schermo a colori di emissione simulati dei campioni in diverse lunghezze d'onda di eccitazione (254, 300, 366 e 450 nm). OAD / 54674 / 54674fig1large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Effetto del livello di idratazione sulle proprietà luminescenti di LTA (Li) -AG. a) Rappresentazione schematica della cella di riscaldamento / vuoto internamente impiegato in questo studio b) terreno TGA per la LTA (Li) -ag campione c) spettri di emissione normalizzato (su 260 nm eccitazione) della LTA (Li).. - campione Ag misurata a diverse temperature. d) Schema di visualizzazione del cambiamento di colore emissione di campioni reali rispetto al contenuto di acqua. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.
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Figura 3: sensore di umidità luminescente sulla base di un composito LTA (Li) -AG / PEI. a) Le fotografie della piastra rivestita sotto illuminazione diurna. (B, c) Immagini di piastra disidratata e idratata rivestito sotto 254 nm UV-irradiazione di luce rispettivamente. D) Micrografia SEM del film depositato mostra la distribuzione dei LTA (Li) cristalli -ag sulla superficie del quarzo. L'inserto mostra un ingrandimento di un'area selezionata della microfotografia SEM originale. E) Emissione Maxima dei idratata e disidratato PEI / LTA (Li) -AG zeolite composito, durante 10 idratazione / disidratazione cicli utilizzando 260 nm come eccitazione lunghezza d'onda. F) trama visualizzare l'emissione profili Maxima comportamento del PEI / LTA (Li) -AG zeolite composito dopo cicli di 10 idratazione / disidratazione. clicca qui a view una versione più grande di questa figura.
Un semplice dispositivo per dimostrare la prova del concetto di utilizzo di LTA(Li)-Ag come sensore di umidità basato sulla luminescenza è stato prodotto rivestendo a spruzzo la polvere di LTA(Li)-Ag sospesa in una soluzione di PEI su una piastra di quarzo. La soluzione di PEI produce uno strato polimerico con spessore omogeneo quando l'acqua viene evaporata. Lo strato composito polimero-zeolite mostra proprietà luminescenti simili a quelle della zeolite in polvere. Il composito zeolite PEI/LTA(Li)-Ag mostra le proprietà luminescenti di sensibilità all'acqua previste, il cui colore di emissione cambia al variare del contenuto d'acqua presente nel composito su una scala di umidità relativamente bassa.
La sostituzione di Na con ioni di Li nelle zeoliti LTA (tasso di cambio calcolato 33%) ha un notevole impatto sull'autoassemblaggio e sulla stabilizzazione di cluster di argento luminescente negli scaffold LTA(Li) portando a proprietà ottiche uniche. L'EQE di LTA(Li)-Ag rispetto ai campioni di LTA(Na)-Ag è migliorato di oltre un ordine di grandezza. Inoltre, i colori di emissione visualizzati dai campioni LTA(Li)-Ag dipendono dall'acqua, fornendo una potenziale applicazione dei campioni come sensori di umidità basati sulla luminescenza.
Abbiamo quindi dimostrato un metodo semplice per fabbricare un sensore di umidità luminescente simile a una pellicola attraverso il quale le variazioni dei livelli di idratazione possono essere monitorate visivamente semplicemente utilizzando una lampada UV. La disponibilità delle materie prime, la visualizzazione diretta delle variazioni di colore correlate al contenuto di umidità, la fotostabilità delle pellicole e la relativa facilità di fabbricazione di dispositivi economici rendono questi materiali luminescenti potenziali candidati per competere con i sensori di umidità all'avanguardia basati sulle risposte elettriche. La procedura descritta in questo rapporto potrebbe anche essere applicata ed estesa a diversi substrati, su diverse micro e macro scale, per rendere il sensore più flessibile. Inoltre, in questo protocollo sono stati discussi diversi passaggi critici durante la fabbricazione di Ag-zeoliti, che svolgono un ruolo importante nel determinare le proprietà ottiche finali di tali materiali. Ad esempio, la pre-pulizia del materiale grezzo di zeolite porta alla rimozione delle impurità ottiche e chimiche, nonché alla distribuzione omogenea delle dimensioni dei cristalli di zeolite. Questo è fondamentale per l'incorporazione delle zeoliti nei dispositivi funzionali. Una limitazione dell'attuale metodologia è la restrizione all'uso di sensori a film sottile oltre i 75 °C. Ciò è dovuto principalmente alla decomposizione del polimero PEI, piuttosto che alla degradazione delle zeoliti LTA(Li)-Ag, che possono resistere fino a 500 °C. L'uso di polimeri resistenti al calore, come l'alcol polivinilico, potrebbe espandere l'intervallo di temperatura fino a 200 °C. Ci aspettiamo che ulteriori indagini saranno indirizzate allo sviluppo di metodologie per la sintesi di compositi Ag-zeoliti nanostrutturati con proprietà (multi)funzionali e infine alla progettazione di prototipi di sensori avanzati.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Gli autori ringraziano con gratitudine il sostegno finanziario del governo federale belga (Belspo attraverso i programmi IAP VI/27 e IAP-7/05), del Settimo Programma Quadro dell'Unione Europea (FP7/2007-2013 nell'ambito dell'accordo di sovvenzione n. 310651 SACS), del governo fiammingo sotto forma di sovvenzione strutturale a lungo termine "Methusalem" METH/08/04 CASAS, del programma SoPPoM "Strategisch Initiatief Materialen", e la sovvenzione G.0349.12 del Fondo per la ricerca scientifica delle Fiandre (FWO). W.B. ringrazia il dipartimento di chimica della KU Leuven per una borsa di studio FLOF. Gli autori ringraziano l'UOP Antwerp per la gentile donazione di campioni di zeolite e l'officina meccanica della KU Leuven per l'aiuto nella progettazione e costruzione della cella di riscaldamento/vuoto utilizzata in questo studio.
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| LTA(Na) zeolite | UOP | Molsiv adsorbente 4A | |
| Nitrato d'argento | Sigma Aldrich | 209139 | ≥ 99,0% |
| Nitrato di litio | Sigma Aldrich | 62574 | ≥ 99,0%, calc. su sostanze secche |
| Soluzione di polietilenimmina | Sigma | Aldrich 3880 | ~50% H2O |
| Microscopio elettronico a scansione (SEM) | JEOL | JSM-6010LV | |
| Analizzatore termogravimetrico | TA instruments | Spettrofluorimetro Q500 | |
| Edinburgh instruments | FLS980-s | ||
| Sfera integratrice | Labsphere | 4P-GPS-033-SL |