Een continue-stroom fotokatalytische Reactor voor de juist gecontroleerde afzetting van metalen nanodeeltjes

Composieten van edele metalen met geleider of halfgeleidermaterialen hebben enorme toepassingen, variërend van medische technologie tot energieconversiesystemen, maar hun conventionele synthesemethoden zijn niet geschikt voor commerciële productie. Bijvoorbeeld, microgolf reductie is een krachtige techniek, maar het kan slechts een paar milliliter verwerken in elke partij, terwijl de commerciële productie van grafeen / platina-gebaseerde brandstofcellen zou moeten verwerken meerdere liters suspensie in enkele minuten. Om dit probleem aan te pakken, hebben we een fotokatalytische depositiereactor ontwikkeld die gemakkelijk op schaalbaar is en continu kan werken.

In ons fotodepositiesysteem worden kleine delen van de reactanten gedurende korte, instelbare perioden verlicht. Zo kunnen we de nucleatie- en groeiprocessen efficiënt controleren, zelfs bij het opschalen van de reactor. Om te beginnen bedek het binnenoppervlak van een polyvinylchloridepijp van 15 centimeter bij 55 centimeter met dikke, gepolijste aluminiumfolie met lijmachterwerk.

Ruimte vijf, 55-watt UV-C lampen gelijkmatig rond de binnenkant van de pijp. Wikkel vervolgens een kwartsbuis van 0,5 centimeter bij 55 centimeter met stukjes aluminiumfolie met lijmonderlijm om meerdere even brede ramen gelijkmatig in het midden van de buis te vormen. Laat 2,5 centimeter van de buis aan elk uiteinde bloot.

Installeer de kwartsbuis in het midden van de PVC-buis om de verlichtingskamer te vormen en sluit ondoorzichtige plastic buizen aan elk uiteinde. Dan, monteer de pijp verticaal in een rookkap, en bevestig een heavy-duty ventilator aan de onderkant voor koeling, Vervolgens, het opzetten van een magnetische drive pomp op een verhoogd platform met de onderkant van de pomp boven de bovenkant van een magnetische roerplaat. Klem een 1-liter separatory trechter net hoger dan de pomp.

Gebruik een T-fitting en ondoorzichtige plastic buizen om de separatory trechter uitlaat aan te sluiten op de bovenkant van de kwartsbuis en de magnetische pomp inlaat. Steek vervolgens de buizen van de bodem van de kwartsbuis en de pompuitlaat door het septum van een fles van één liter uitgerust met een roerstaaf, zodat de uiteinden van de slang twee tot drie centimeter boven de roerbalk liggen. Deze fles zal het reservoir zijn.

Sluit vervolgens een T-fitting aan op de bemonsterings- en evacuatiekleppen en een lengte van ondoorzichtige kunststof buizen. Steek de slang in het reservoir en sluit de bemonsteringsklep aan op een spuitfitting. Tot slot, voer een gasuitlaatleiding van het reservoir naar een waterbel.

Om te beginnen met de synthese, voeg twee gram grafiet en 100 milliliter van 98% zwavelzuur aan een 500-milliliter Erlenmeyer fles uitgerust met een grote magnetische roerstaaf. Koel het mengsel af tot ongeveer nul graden Celsius in een ijswaterbad terwijl u roert. Voeg vervolgens een gram kaliumpermanganaat toe in de loop van een minuut tijdens het roeren.

Laat het mengsel nog vier minuten roeren. Herhaal dit proces nog vijf keer om in totaal zes gram toe te voegen in de loop van 30 minuten. Zodra de toevoeging is voltooid, verwijder het bad, en blijven roeren het mengsel gedurende zes uur.

Vervolgens koel je het mengsel af in een ijswaterbad terwijl je 15 minuten roert. Voeg 250 milliliter gedestilleerd water dropwise toe aan het roermengsel. Verwijder het ijswaterbad en voeg 10 milliliter waterstofperoxide dropwise toe aan het roermengsel.

Voeg vervolgens 20 milliliter waterstofperoxide in één keer toe en blijf 30 minuten roeren bij kamertemperatuur. Centrifuge de resulterende ophanging op 3, 500 g gedurende 15 minuten, en gooi de supernatant. Roer de vaste stoffen in een liter gedestilleerd water gedurende 30 minuten, centrifuge ze opnieuw, verwijder de supernatant, en controleer de pH.

Was de vaste stoffen op deze manier tot de supernatant pH vijf bereikt. Combineer vervolgens het gewassen neerslag met 500 milliliter zoutzuur van één molaire molaire en roer gedurende een uur. Was het product tot de supernatant pH vijf bereikt.

Verspreid de gewassen vaste stoffen in een liter gedestilleerd water, en sonicate het mengsel voor drie uur op ongeveer kamertemperatuur. Centrifuge het resulterende grafeenoxidemengsel gedurende 15 tot 20 minuten bij 3, 500 g bij kamertemperatuur drie keer, waarbij het neerslag telkens wordt weggegooid. Breng de grafeenoxidesuspensie over in een getinte of folie verpakte glazen fles.

Weeg vervolgens drie droge kristallisatieschotels drie keer op een analytische balans. Schud de grafeenoxide suspensie goed, en laat het genoegen nemen voor een minuut. Giet vervolgens precies 100 milliliter van de suspensie in elk gerecht.

Houd de gerechten in een oven op 70 tot 80 graden Celsius totdat de inhoud volledig droog is. Weeg vervolgens elk gerecht drie keer op dezelfde analytische balans en bereken het droge gewicht van grafeenoxide in elk gerecht. Bepaal de concentratie van de suspensie op basis van het gemiddelde van deze waarden.

Verdun vervolgens de suspensie tot 0,2 gram per liter en voeg deze langzaam toe aan een gelijk volume van natriumhydroxide van vier kies. Reflux het mengsel op 90 graden Celsius gedurende acht uur, en laat het afkoelen tot kamertemperatuur. Was het gedeeltelijk verminderde grafeenoxide neerslaan tot de supernatant bereikt pH zeven tot acht, en bewaar het in een getinte of folie verpakte fles.

Bereid 540 milliliter van een 50-milligram-per-milliliter suspensie van gedeeltelijk verminderd grafeenoxide in gedestilleerd water, en sonicate het in een ijswaterbad gedurende een uur op 40%-vermogen. Voeg vervolgens 60 milliliter ethanol van analytische kwaliteit toe en sonisch het mengsel in een ijswaterbad voor nog een uur. Voeg vervolgens 169 microliters van 8% in gewicht waterige hexachloooreoplatinezuur toe aan het grafeenmengsel en blijf 15 minuten roeren bij kamertemperatuur.

Giet het mengsel vervolgens in de separatory trechter van de reactor en stop het. Open de stopcock om de reactant in het systeem te voeden en sluit deze onmiddellijk wanneer de trechter leeg is om gasbellen uit de slang te houden. Voer de pomp op 16 liter per minuut, en stroom stikstofgas door de reactor in een snelheid die een gestage stroom van bellen produceert.

Roer de suspensie op ongeveer 1.000 rpm gedurende 30 minuten om opgeloste zuurstof te verwijderen. Verminder vervolgens de stikstofstroom en zet de UV-lampen aan. Verhoog na vijf minuten de stikstofstroom en sluit een Luer-Lok-spuit van 20 milliliter aan op de monsterlijn.

Houd de spuitzuiger licht vast om te voorkomen dat deze wordt uitgeworpen en open de bemonsteringsklep. Verzamel 20 milliliter van de suspensie, sluit de bemonsteringsklep en maak de spuit los. Open de buisafvoerklep om de slang door te spoelen en sluit vervolgens de klep en verlaag de stikstofgasstroom tot het vorige niveau.

Centrifugeren het monster op 10,000 g gedurende 10 minuten, en zet de supernatant voor metaal kation concentratie analyse. Was de vaste stoffen twee maal door te roeren in 20 milliliter porties gedestilleerd water en centrifugeren onder dezelfde omstandigheden. Daarna, dispergeer de vaste stoffen in 50 milliliter gedestilleerd water door zachte sonicatie voor een uur.

Los een milligram ascorbinezuur in de dispersie, en roer het mengsel op 90 graden Celsius gedurende een uur. Verzamel en was het neerslag zoals eerder beschreven, en bewaar het gewassen neerslag voor verdere karakterisering. Röntgenfotolektronronspectroscopie bevestigde dat platina en gouden nanodeeltjes met succes werden afgezet op verlaagd grafeenoxide en titaniumdioxide.

Deconvolution van de hoge resolutie platina 4f en goud 4f pieken toonde geen niet-metalen componenten, wat aangeeft dat de platina vier en goud drie kations was teruggebracht tot respectievelijk platina nul en goud nul. De verlichtingsdosis per blootstelling, of IDE, werd geoptimaliseerd voor elke composiet om een relatief uniforme verdeling van kleine edele metalen nanodeeltjes over de substraten te bereiken. Toen de IDE te hoog was, depletie rond groeiende deeltjes ontmoedigd de vorming van kernen in de buurt, wat resulteert in grote deeltjes en grote grootte distributies.

De IDE werd aangepast door het aantal UV-lampen en het blootstellingsgebied van de reactor te wijzigen. Toen de IDE te laag was, was de fotodepositie niet succesvol, als gevolg van onvoldoende fotoekseerde elektronen voor stabiele kernvorming, zoals hier te zien is. Verbreding van de ramen tot twee centimeter geproduceerd de gewenste fotodepositie gedrag voor de platina / grafeen composiet.

Het blootstellen van de gehele reactorbuis verhoogde de fotodepositiesnelheid zonder de deeltjesgrootte en monodispersiteit aanzienlijk in gevaar te brengen. Het depositieproces wordt gecontroleerd door concentratietijdcurven onder verschillende omstandigheden in kaart te brengen om het optimale reactorontwerp en IDE te identificeren. Het uitvoeren van de fotodepositie in het lineaire concentratietijdgebied maakt het mogelijk om het product na een bekende circulatietijd continu te verzamelen.

Hoewel we de synthese van platina/grafeencomposieten demonstreren, kunnen deze methode en reactor ook worden gebruikt voor depositie van andere edele metalen op verschillende halfgeleiders. Deze continustroomreactor kan ook worden gebruikt voor andere chemische synthesemethoden waarbij de reacties met licht worden geïnitieerd.