Preparazione e utilizzo di fotocataliticamente attivo segmentata Ag | ZnO e coassiale TiO

L'obiettivo generale di questo procedimento è spiegare i passaggi necessari per produrre nanofili segmentati mediante un metodo semplice e riproducibile chiamato elettrodeposizione assistita da stampo, e mostrare un metodo semplice per la rilevazione dell'idrogeno gassoso in esperimenti di scissione fotocatalitica dell'acqua. Questo viene realizzato innanzitutto preparando la membrana che funge da stampo per la deposizione di nanofili con una forma e dimensioni specifiche. Tale preparazione comprende la sputterizzazione di uno strato d'oro per il contatto elettrico e di una lamina di vetro per l'isolamento.

Il secondo passaggio consiste nell'elettrodepositare i materiali desiderati all'interno dei pori del templato e, eseguendo più passaggi di deposizione all'interno dello stesso templato, è possibile ottenere nanofili segmentati. Successivamente, i nanofili vengono rilasciati dal templato e trasferiti nella soluzione utilizzata per gli esperimenti di fotocatalisi. L'ultimo passaggio prevede la preparazione dell'apparato utilizzato per l'evoluzione foto-catalitica di idrogeno.

Infine, un sensore di gas idrogeno in combinazione con irradiazione UV viene utilizzato per dimostrare che questi nanofili sono foto cataliticamente attivi e possono essere impiegati per la formazione autonoma di idrogeno. Uno dei principali vantaggi della fabbricazione di nanofili mediante elettrodeposizione guidata da stampo è che possono essere ottenute numerose composizioni diverse. Il processo viene eseguito in soluzioni acquose in condizioni ambiente e non richiede apparecchiature costose.

In questo video, mostriamo come realizzare nanostrutture filiformi fotocatalitiche per la produzione di idrogeno; tuttavia, lo stesso metodo può essere applicato anche per fabbricare nanostrutture filiformi per applicazioni fotovoltaiche, termoelettriche, celle a combustibile e molte altre. Iniziare questa procedura selezionando una membrana in policarbonato per traccia da incisione (PCTE) con un diametro dei pori esterni di 200 nanometri e uno spessore di sei micron. Il diametro della membrana utilizzata in questo caso è di 25 millimetri.

Uno strato d'oro viene quindi sputterizzato sul retro della membrana utilizzando un sistema di sputtering disponibile in commercio. In questo caso, è stata utilizzata una pressione di deposizione di due per dieci alla meno due millibar, con argon come gas di sputtering e una velocità di deposizione lenta di circa 13 nanometri al minuto. Questo strato d'oro verrà utilizzato come contatto elettrico durante la deposizione elettrochimica.

Dopo aver depositato con lo sputtering lo strato d'oro sulla membrana in PCTE, il passo successivo consiste nell'applicare un piccolo vetrino sulla faccia rivestita d'oro della membrana utilizzando quattro strisce di nastro biadesivo posizionate lungo i bordi del vetrino. Questo vetrino serve a garantire un'elettrodeposizione selettiva all'interno della membrana. Fornisce stabilità meccanica.

Attaccare un piccolo pezzo di nastro di rame sulla parte della membrana che sporge dalla lametta di vetro. Poiché il nastro di rame è conduttivo, la pinza del morsetto dell'elettrodo di lavoro può essere collegata al nastro di rame. Migliorare l'adesione della membrana alla lametta di vetro applicando del nastro in teflon lungo i bordi.

Questo è raccomandato per deposizioni a temperature elevate. Prima di realizzare il segmento di argento, preparare una soluzione acquosa contenente nitrato d'argento e acido borico e regolare il pH a 1,5. Utilizzando acido nitrico, assemblare la membrana PCTE preparata insieme a un elettrodo di platino come elettrodo controcoppia e un elettrodo di riferimento di argento, cloruro di argento.

Nella soluzione preparata, applicare un potenziale di +0,1 volt rispetto all'elettrodo di riferimento al silver, cloruro di silver. Per 30 secondi seguendo le indicazioni del produttore del potenziostato, rimuovere gli elettrodi dalla soluzione e risciacquarli con acqua Milli Q. Per realizzare prima il segmento di ossido di zinco, preparare una soluzione acquosa contenente 0,1 molare di nitrato di zinco esaidrato.

Successivamente, riscaldare la soluzione a 60 gradi Celsius utilizzando un bagno termostatico e inserire la membrana contenente il segmento di argento. Insieme a un elettrodo di platino come elettrodo ausiliario e un elettrodo di riferimento al silverio e cloruro di argento, applicare un potenziale di meno un volt rispetto all'elettrodo di riferimento al silverio e cloruro di argento per 20 minuti. Seguendo le istruzioni del costruttore del potenziostato, è importante controllare la curva di corrente nel tempo durante il deposito dell'elettrodo, poiché una corrente assente o priva di logica indica un contatto difettoso.

Dopo 20 minuti, rimuovere gli elettrodi dalla soluzione e sciacquarli con acqua milli Q. Questa procedura completa per la deposizione elettrochimica di segmenti di nanofili di argento e ossido di zinco deve essere ripetuta quattro volte per ottenere un quantitativo sufficiente di nanofili da generare un segnale significativo per il sensore di idrogeno, necessario per estrarre l'argento e l'ossido di zinco. Tagliare i nanofili dalla membrana contenente i nanofili dal vetrino e trasferire una parte della membrana in un tubo da centrifuga in polipropilene.

Aggiungere circa due millilitri di clorometano per sciogliere la membrana di PCTE e rilasciare i nanofili nella soluzione. Dopo circa 30 minuti, la membrana dovrebbe essere completamente sciolta. Applicare una piccola goccia della soluzione di clorometano deionizzato contenente i nanofili su una piccola piastrina di silicio per l'analisi mediante microscopia elettronica a scansione.

Centrifugare la soluzione ottenuta a circa 19.000 ×g per cinque minuti, rimuovere l'eccesso di diclorometano e aggiungere diclorometano fresco. Ripetere il processo almeno tre volte per assicurarsi che tutto il policarbonato sia stato rimosso. Dopo l'ultimo lavaggio con diclorometano e la rimozione dell'eccesso di diclorometano, aggiungere acqua UE ai nanofili, centrifugare, scartare l'acqua e aggiungere acqua milli Q fresca.

Ripetere questo lavaggio almeno altre tre volte per sostituire completamente tutto il diclorometano con acqua milli Q. Il sensore di idrogeno utilizzato negli esperimenti di formazione di idrogeno è preparato a partire da un sensore di idrogeno a base di palladio. Il sensore si trova all'interno di un tappo NS che si adatta sulla sommità di un tubo di quarzo.

Collegare il sensore a un circuito standard a ponte di Wheatstone. Questo schema illustra una configurazione tipica per la rilevazione di gas idrogeno, prodotto da nanostrutture fotocatalitiche. Per iniziare la formazione fotocatalitica di idrogeno, inserire la soluzione acquosa di nanostrutture in un tubo di quarzo da 72 millilitri.

Aggiungere ulteriore acqua fino a raggiungere un volume totale di 10 millilitri di acqua all'interno del tubo di quarzo. Successivamente, aggiungere 40 millilitri di metanolo. Iniziare a registrare il segnale del sensore di idrogeno a base di palladio prima di posizionarlo sulla sommità del tubo di quarzo e monitorare la variazione del segnale.

Dopo circa 200 secondi di segnale stabile, posizionare il sensore di idrogeno sulla sommità del tubo in quarzo attivando contemporaneamente la sorgente di luce UV per iniziare la misurazione effettiva. Qui si possono osservare bolle di gas idrogeno svilupparsi dai nano fili quando dispersi in una soluzione acquosa di metanolo. Durante la deposizione, la corrente misurata tra l'elettrodo di lavoro e l'elettrodo ausiliario può essere visualizzata in una curva IT. Poiché la corrente è direttamente correlata alla quantità di materiale depositato attraverso la legge di Faraday.

La corrente osservata è un'indicazione importante del modo in cui procede la deposizione, rappresentata da una tipica curva IT. A sinistra è mostrata la deposizione di nanofili di ossido di zinco-argento. La deposizione di nanofili di biossido di titanio-argento non è stata mostrata in questo video, ma una curva IT tipica è riportata nel pannello di destra.

Vengono mostrati nanofili segmentati assialmente di ossido di argento e zinco in questa immagine di microscopia elettronica a scansione. Questo successivo insieme di immagini di microscopia elettronica a scansione mostra nanotubi vuoti di biossido di titanio, un nanofilo coassiale di biossido di titanio e argento, e nanotubi di biossido di titanio con nanoparticelle di argento. Questi grafici mostrano il segnale rilevato dal sensore e lo stesso segnale dopo la trasformazione nel periodo temporale effettivo di formazione dell'idrogeno gassoso.

Le linee rosse rappresentano la risposta del sensore durante l'irradiazione UV dell'ossido di zinco argentato. Nano fili in una soluzione di metanolo e acqua e le linee blu rappresentano un esperimento di riferimento senza nano fili. Quando la sorgente di luce UV è stata accesa a 17,5 minuti, il segnale diminuisce notevolmente a causa della sensibilità alla luce del sensore.

Subito dopo questo calo del segnale, la reazione ha inizio e, di conseguenza, questo istante è stato definito come T uguale a zero minuti nel pannello B, e il corrispondente segnale è stato definito pari a zero volt. Poiché il sensore utilizzato è leggermente sensibile in modo incrociato al metanolo, è stata inclusa anche la misurazione di un campione di riferimento senza nanofili, come mostrato in questi risultati; durante l'illuminazione UV, il segnale proveniente dal campione con nanofili è risultato superiore al segnale proveniente dal campione di riferimento. La formazione di idrogeno gassoso mediante nanofili di ossido di zinco argentati cessa tipicamente dopo circa 48 ore di illuminazione UV, come dimostrato dall'arresto della formazione di bolle di gas. Il motivo di questa perdita di attività è la fotocorrosione dell'ossido di zinco.

Questa immagine di microscopia elettronica a scansione mostra un nanofilo di ossido di zinco e argento corroso dalla luce. Dopo 48 ore di illuminazione con raggi UV, la superficie del segmento di ossido di zinco è molto più irregolare rispetto a quella di un nanofilo appena sintetizzato. In letteratura, sono riportati diversi metodi per l'inibizione del processo di corrosione fotocatalitica dell'ossido di zinco.

In alternativa, si prega di consultare il manoscritto allegato per un metodo di sintesi di nanofili coassiali di biossido di titanio e argento, che possono essere utilizzati per la scissione autonoma senza alcun segno di fotocorrosione. Funzionalità aggiuntive come il movimento autonomo dei nanofili o la guida magnetica esterna possono essere realizzate incorporando segmenti aggiuntivi come platino, oro o nichel. In questo modo, è possibile ottenere nanofili multifunzionali.

Dopo aver visionato questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come realizzare nanofili, inclusa una semplice metodica per l'isolamento della membrana. Si dovrebbe inoltre essere in grado di testare la loro attività fotocatalitica utilizzando un sensore di idrogeno semplice.