Artykuł metodologiczny

Nanostrukturalne kompozyty agen-zeolitowe jako czujniki wilgotności oparte na luminescencji

12.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54674

⸱

15 listopada 2016

 ,  ,  ,  , 
1Division of Molecular Imaging and Photonics, Department of Chemistry, KU Leuven, 2Centre for Surface Chemistry and Catalysis, Department of Microbial and Molecular Systems, KU Leuven

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Protokół syntezy reagujących na wilgoć luminescencyjnych kompozytów agen-zeolitowych jest opisany w tym raporcie.

Streszczenie

Małe skupiska srebra zamknięte w matrycach zeolitowych pojawiły się ostatnio jako nowy rodzaj wysoce luminescencyjnych materiałów. Ich emisja charakteryzuje się wysoką zewnętrzną sprawnością kwantową (EQE) i obejmuje całe spektrum widzialne. Niedawno doniesiono, że luminescencja wzbudzona promieniowaniem UV częściowo wymienianych litowo-jonowych zeolitów Linde typu A [LTA(Na)] zawierających luminescencyjne klastry srebra może być kontrolowana poprzez regulację zawartości wody w zeolicie. Próbki te wykazały dynamiczną zmianę barwy emisji z niebieskiej na zieloną i żółtą po wzroście poziomu uwodnienia zeolitu, co pokazuje ogromny potencjał, jaki te materiały mogą mieć jako czujniki wilgotności oparte na luminescencji w skali makro i mikro. W tym miejscu opisujemy szczegółową procedurę wytwarzania prototypu czujnika wilgotności przy użyciu kompozytów zeolitowych wymienianych srebrem. Czujnik jest wytwarzany przez zawieszenie luminescencyjnych agetolitów w wodnym roztworze polietylenininy (PEI), aby następnie osadzić warstwę materiału na płytce kwarcowej. Powlekana płytka jest poddawana kilku cyklom hydratacji/odwadniania, aby pokazać funkcjonalność folii czujnikowej.

Wprowadzenie

Małe sub-nanometrowe oligoatomowe klastry srebra, powstałe w wyniku samoorganizacji w ograniczonych matrycach zeolitowych, wykazują unikalne właściwości optyczne. 1-5 Takie kompozyty srebrowo-zeolitowe mają wysoką stabilność chemiczną i fotostabilność. Jednak ich właściwości fotoluminescencyjne są w dużym stopniu zależne od lokalnego środowiska gromad srebra. Warunki środowiskowe, które wpływają na właściwości optyczne kompozytów srebrowo-zeolitowych, można podzielić na właściwości wewnętrzne i zewnętrzne. Wewnętrzne właściwości są związane z topologią zeolitu, rodzajem jonów równoważących i obciążeniem srebrem. 1 Z drugiej strony, właściwości zewnętrzne są związane ze zmianami postsyntetycznymi, takimi jak obecność adsorbatów lub cząsteczek wody w jamach zeolitu. 3,4 Te ostatnie właściwości nadają kompozytom srebrowo-zeolitowym zdolność do optycznego reagowania na bodźce zewnętrzne, takie jak zmiany wilgotności w rusztowaniu zeolitowym6-8 lub obecność określonych gazów; Dlatego zasugerowano ich zastosowanie jako czujników pary wodnej i gazów. 9,10

pkt.

W niedawnym badaniu wykazaliśmy, że optyczna reakcja Ag-zeolitów na wilgoć jest nie tylko skorelowana ze zmianami w absorpcji lub tłumieniu ich emisji, ale także z pojawieniem się różnych kolorów emisji w odniesieniu do ich zawartości wody. 5 Stabilizacja klastrów srebra w zeolitach LTA z częściowo wymienioną litową wymianą Li doprowadziła do powstania materiału reagującego na wilgoć, w którym zmiany w skali względnie niskiej wilgotności znalazły odzwierciedlenie w dynamicznej zmianie koloru z emisji niebieskiej na zielono-żółtą odpowiednio w próbkach odwodnionych i uwodnionych. W związku z tym zaproponowano zastosowanie tych materiałów jako luminescencyjnych czujników wilgotności. Do tej pory zaproponowano różne rodzaje materiałów, takie jak elektrolity, ceramika, polimery i kompozyty nanostrukturalne, do monitorowania zmian wilgotności w oparciu o reakcje elektryczne i optyczne. 11,12 W tym szczegółowym protokole zamierzamy zademonstrować dowód słuszności koncepcji zastosowania zeolitów LTA(Li)-Ag jako czujników wilgotności oraz dalszy rozwój prototypów. Ze względu na wszechstronność zeolitów LTA(Li)-Ag do stosowania w różnych podłożach, ich potencjalną skalowalność i opłacalność produkcji, projekt prototypu może być ułatwiony. 13 Takie czujniki mogą mieć potencjalne zastosowanie w różnych sektorach przemysłu, takich jak rolnictwo, a także przemysł samochodowy i papierniczy. 14

Protokół

Uwaga: Chemikalia i odczynniki użyte w tym raporcie były traktowane z ostrożnością, przy użyciu odpowiednich zabezpieczeń (fartuchy laboratoryjne, rękawice, okulary ochronne, dygestoria). Praca ta dotyczy manipulacji mikroporowatymi materiałami nieorganicznymi (zeolity o rozmiarach od 1 do 5 mikronów), dlatego szczególną uwagę zwrócono na zastosowanie odpowiedniej ochrony przeciwpyłowej (masek przeciwpyłowych). Zalecamy zapoznanie się z odpowiednimi danymi dotyczącymi bezpieczeństwa materiałów (MSDS) chemikaliów i odczynników stosowanych w tej pracy przed użyciem w celu prawidłowej manipulacji i/lub utylizacji odpadów.

1. Wstępna obróbka zeolitu

  1. Wstępna obróbka cieplna
    UWAGA: Przed użyciem należy wstępnie potraktować materiały zeolitowe w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak zanieczyszczenia organiczne, które mogłyby utrudniać tworzenie się klastrów srebra i luminescencję.
    1. Odważyć 10 g komercyjnych zeolitów LTA(Na) (komercyjne zeolity LTA zawierają sód jako jony równoważące w swoich strukturach) i umieścić je jednorodnie na porcelanowej tacy.
    2. Podgrzewać zeolit w proszku przez noc w piecu muflowym w temperaturze 450 °C, stosując rampę temperatury 5 °C/min w odstępach 1 godziny w temperaturze 80 °C i 110 °C, aby uniknąć uszkodzenia struktury zeolitu.
    3. Wyjmij materiał zeolitowy z piekarnika i pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej w warunkach otoczenia.
  2. Dobór wielkości cząstek zeolitu
    UWAGA: Spowoduje to bardziej równomierny rozkład wielkości ziaren wyjściowych materiałów zeolitowych, niezbędny do stworzenia jednorodnego filmu. Na tym etapie usuwane są również duże cząstki amorficzne, które często są obecne w zeolitach produkowanych przemysłowo.
    1. Odważyć 10 g dostępnego w handlu LTA(Na) i zawiesić go w 1 litrze wody dejonizowanej.
    2. Sonikować zawiesinę przez 1 godzinę, energicznie potrząsając zawiesiną ręcznie co 10 minut.
    3. Wlać zawiesinę do cylindra Atterberga (1 l) na 30 minut. Cząstki o wielkości mniejszej niż 10 μm pozostają w zawiesinie, ale wytrąca się większe cząstki.
    4. Zdekantować zawiesinę i odzyskać proszek przez filtrację za pomocą lejka Büchnera. Odzyskany proszek przemyć trzykrotnie wodą dejonizowaną.
    5. Poddać proszek obróbce cieplnej zgodnie z opisem w kroku 1.1.2.

2. Przygotowanie luminescencyjnych kompozytów zeolitowych LTA(Na)-Ag

  1. Synteza srebra luminescencyjnego z wymiennym zeolitem LTA [LTA(Na)-Ag] jako materiał odniesienia
    1. Rozpuść 74,8 mg azotanu srebra w 200 ml wody dejonizowanej w butelce z polipropylenu o wysokiej gęstości (HDPE) o pojemności 250 ml.
    2. Odważyć 1 g próbki LTA(Na) poddanej obróbce wstępnej i zawiesić ją w roztworze azotanu srebra.
    3. Pozostawić kolbę HDPE mieszającą przez noc w wytrząsarce typu end-over-end w temperaturze pokojowej.
    4. Przefiltrować zawiesinę za pomocą lejka Büchnera i przemyć proszek zeolitu 3 razy wodą dejonizowaną.
    5. Ogrzać odzyskany proszek w piecu muflowym w temperaturze 450 °C, stosując tę samą procedurę, która została opisana w kroku 1.1.2.
    6. Schłodzić próbkę i umieścić ją w eksykatorze o kontrolowanej wilgotności (98% wilgotności względnej). Kontroluj wilgotność względną, umieszczając nasycony roztwór siarczanu potasu wewnątrz eksykatora. 15
    7. Zmierz widma wzbudzenia i emisji próbek (na różnych długościach fal) za pomocą spektrofluorometru, a także ich zewnętrzną sprawność kwantową.
      1. Zmierzyć dwuwymiarowe wykresy wzbudzenia-emisji, umieszczając próbkę w kuwecie kwarcowej o ścieżce 1 mm. Zbieraj widma emisyjne rozpoczynające się 30 nm powyżej długości fali wzbudzenia do 800 nm w krokach co 5 nm i czasie przebywania 0,1 sekundy.
      2. Za pomocą oprogramowania przyrządu należy zastosować poprawki dotyczące natężenia lampy i wykrywania ścieżki emisji w zależności od długości fali do danych surowych. Dodatkowo należy użyć filtru długoprzepustowego, aby uniknąć szczytów drugiego rzędu na wykresach dwuwymiarowych.
      3. Wykonaj pomiary wydajności kwantowej za pomocą kuli całkującej dołączonej do spektrofluorometru. 16 Zapisz skan emisji od 240 nm do 600 nm zarówno dla próbki zeolitu, jak i odniesienia BaSO4 przy użyciu 260 nm jako długości fali wzbudzenia, a następnie oblicz wydajność kwantową za pomocą oprogramowania przyrządu.

3. Przygotowanie luminescencyjnych kompozytów zeolitowych [LTA(Li)-Ag]

  1. Synteza częściowo wymienionego zeolitu litowego LTA [LTA(Li)]
    Uwaga: Procedura stosowana do wytwarzania częściowo wymienionych zeolitów LTA(Li) została zaadaptowana z raportu Yahiro i współpracowników. 17
    1. Rozpuść 17,2 g azotanu litu w 2,5 l wody dejonizowanej.
    2. Wlać 0,5 l roztworu azotanu litu do kolby HDPE o pojemności 1 l.
    3. Odważyć 3 g zeolitu LTA(Na) poddanego obróbce i zawiesić go w kolbie HDPE zawierającej roztwór azotanu litu.
    4. Wymieszać kolbę za pomocą wytrząsarki typu end-over-end w temperaturze pokojowej przez noc.
    5. Przefiltrować zawiesinę za pomocą lejka Büchnera i odzyskać proszek przepłukać 3 razy wodą dejonizowaną.
    6. Wykonaj wymianę litu
      1. Dodać 0,5 l świeżego roztworu azotanu litu (3.1.1) do 1 l kolby HDPE zawierającej proszek odzyskany z etapu filtracji (3.1.5).
      2. Powtórz kroki 3.1.4 i 3.1.5.
      3. Powtórz kroki 3.1.6.1 i 3.1.6.2 jeszcze 4 razy.
    7. Odzyskać zeolit w proszku i podgrzać go w piecu muflowym w temperaturze 450 °C przez noc, stosując rampę temperatury 5 °C/min w odstępach 1 godziny w temperaturze 80 °C i 110 °C.
  2. Synteza zeolitów luminescencyjnych [LTA(Li)-Ag]
    1. Rozpuść 74,8 mg azotanu srebra w 200 ml wody dejonizowanej w butelce HDPE o pojemności 250 ml.
    2. Odważyć 1 g częściowo wymienionego zeolitu litowo-LTA [LTA(Li)] i zawiesić go w roztworze azotanu srebra (3.2.1).
    3. Wymieszać kolbę HDPE za pomocą wytrząsarki typu end-over-end w temperaturze pokojowej przez noc.
    4. Przefiltrować zawiesinę za pomocą lejka Büchnera i odzyskać proszek zeolitowy przemyć 3 razy wodą dejonizowaną.
    5. Proszek poddać obróbce cieplnej w piecu muflowym w temperaturze 450 °C przez noc, stosując przyrost temperatury 5 °C/min w odstępach 1 godziny w temperaturze 80 °C i 110 °C.
    6. Schłodzić próbkę w warunkach kontrolowanej wilgotności za pomocą eksykatora zawierającego nasycony roztwór siarczanu potasu (98% wilgotności względnej). 15
    7. Zmierzyć widma wzbudzenia i emisji próbek, jak również ich zewnętrzną sprawność kwantową, postępując zgodnie z procedurą opisaną w kroku 2.1.7.
    8. Przeprowadzić analizę termograwimetryczną (TGA) w celu określenia zawartości wody w próbce w różnych temperaturach. 1 Krótko mówiąc, umieść od 30 do 50 mg przygotowanej próbki na platynowym uchwycie na próbkę i załaduj ją do urządzenia TGA. Zmierzyć ubytek masy od 50 °C do 600 °C, stosując szybkość ogrzewania 5 °C/min przy przepływie azotu (90 ml/min).

4. Wytwarzanie kompozytowej folii LTA(Li)-Ag / polietyleniminu (PEI) do zastosowań związanych z wykrywaniem wilgotności

Uwaga: Procedura składania użyta w tym raporcie została zmodyfikowana i zaadaptowana z odnośnika 18.

  1. Preparat zawiesiny koloidalnej LTA(Li)-Ag.
    1. Rozcieńczyć 1 ml handlowego 50% wag. roztworu PEI do 100 ml wodą dejonizowaną.
    2. Odważyć 250 mg luminescencyjnego materiału LTA(Li)-Ag.
    3. Wymieszać zeolit i roztwór PEI w butelce HDPE o pojemności 125 ml i energicznie wstrząsnąć zawiesiną.
    4. Umieścić butelkę w kąpieli sonicznej o częstotliwości 40 kHz w temperaturze pokojowej na noc, aby uzyskać jednorodną zawiesinę.
    5. Wlej zawiesinę LTA(Li)-Ag / PEI do butelki z rozpylaczem.
  2. Nanoszenie folii LTA(Li)-Ag / PEI na płytkę kwarcową w celu produkcji prototypu czujnika.
    1. Wyczyść płytkę kwarcową, spłukując ją kolejno wodą dejonizowaną i acetonem przed nałożeniem folii. Czyste talerze suszyć w suszarce w temperaturze 80 °C przez 1 godzinę.
    2. Płytkę kwarcową należy pokryć natryskowo z jednej strony, umieszczając płytkę kwarcową poziomo na czystym arkuszu folii aluminiowej i spryskując trzykrotnie (za każdym razem 3 sekundy) z odległości około 20 cm. Umieść pokrytą płytkę w suszarce w temperaturze 50 °C na 30 minut.
    3. Powtórz krok 4.2.2 kolejne 4 razy, aż folia będzie jednolita.
  3. Nawodnienie/odwodnienie prototypu czujnika.
    1. Umieść powlekaną płytkę kwarcową w komorze na próbki w domowej komorze grzewczej/próżniowej. 5
    2. Zamknąć komorę na próbkę celi, umieszczając czystą płytkę kwarcową w połączeniu z gumowym pierścieniem na wierzchu powlekanej płytki i uszczelnić celę za pomocą teflonowego korka i, jak pokazano na rysunku 2.
    3. Zastosować wysokie podciśnienie, stosując ciśnienie poniżej 10-3 mbar, do celi przez noc w celu odwodnienia próbki.
    4. Wizualnie monitoruj zmiany koloru emisji (w widocznym obszarze) osadzonej folii za pomocą lampy UV.
    5. Otwórz komorę na próbkę, aby monitorować zmiany koloru emisji w obszarze widzialnym po ponownym uwodnieniu filmu za pomocą lampy UV.
    6. Powtórz cykl wiele razy, zaczynając od kroku 4.3.2 do 4.3.5, aby przetestować odwracalność folii LTA(Li)-Ag/PEI.

Wyniki

Mikrografy SEM zeolitu LTA-Ag zarejestrowano po etapie wymiany kationów i obróbki cieplnej. Następnie zmierzono dwuwymiarowe (2D) wykresy wzbudzenia/emisji luminescencji dla hydratowanych zeolitów LTA(Na)-Ag oraz LTA(Li)-Ag (Rycina 1). Analizę elementarną przeprowadzono metodą XPS na zeolitach po wymianie srebra w celu określenia ich składu chemicznego. Wyniki analizy wykazują, że stopień wymiany srebrem w zeolitach LTA(Na) i LTA(Li) jest bardzo zbliżony i wynosi odpowiednio 19,6% wag. i 21,5% wag. Różnica w procentach wagowych może wynikać z niższej masy atomowej atomów litu. Ponadto analiza elementarna wykazała, że po wymianie litem 33% sodu zostało zastąpionych. Etapy wymiany kationów oraz kolejnej obróbki cieplnej przeprowadzone na próbkach nie wydają się wpływać na strukturę kryształów LTA, co potwierdzają obrazy SEM. Ponadto nie zaobserwowano powstawania większych nanocząstek srebra na powierzchni kryształów zeolitu. Właściwości luminescencyjne obu próbek LTA(Li)-Ag i LTA(Na)-Ag w stanie uwodnionym różnią się znacząco. Poprzez wprowadzenie litu do szkieletu zeolitu jako kationu kompensującego ładunek, maksimum wzbudzenia ulega przesunięciu w stronę krótszych fal (przesunięcie ku niebieskiemu) z 370 nm do 260 nm odpowiednio dla LTA(Na)-Ag i LTA(Li)-Ag. Natomiast maksimum emisji ulega niewielkiemu przesunięciu w stronę dłuższych fal (przesunięcie ku czerwieni) z 550 do 565 nm po dodaniu litu do układu. Największa różnica między tymi próbkami dotyczy ich zewnętrznych sprawności kwantowych (EQE). Zeolity LTA(Na)-Ag wykazują EQE około 4% przy maksimum wzbudzenia (370 nm), podczas gdy EQE dla zeolitów LTA(Li)-Ag osiąga 62% (przy wzbudzeniu na 260 nm). Skutkuje to jasno żółto świecącym proszkiem pod oświetleniem UV o długości fali 254 nm.

Właściwości luminescencyjne próbki LTA(Li)-Ag zależą również od zawartości wody w układzie. Zależność tę wykazano poprzez połączenie eksperymentów TGA i zależnych od temperatury badań luminescencji, przy czym TGA koreluje temperaturę ze stopniem uwodnienia zeolitu. Dodatkowo, temperaturę powiązano pośrednio z barwą emisji emitowaną przez próbkę LTA(Li)-Ag, wykorzystując własnoręcznie zaprojektowaną komorę grzejną (Rycina 2). Kolor emisji zmienia się od żółtego przez zielony do niebieskiego w miarę usuwania wody z układu LTA(Li)-Ag. Współczynnik wydajności kwantowej (EQE) systematycznie spada z 62% (stan uwodniony) do 21% (stan odwodniony).

Ze względu na wrażliwość na wilgoć materiału LTA(Li)-Ag, wykorzystano go do wykonania prototypu czujnika wilgotności opartego na luminescencji, poprzez zawieszenie proszku w roztworze PEI, a następnie naniesienie kompozytu metodą natrysku na płytkę kwarcową. Zdjęcia (w świetle dziennym i oświetleniu UV) oraz obrazy mikroskopu elektronowego (SEM) warstwy LTA(Li)-Ag/PEI naniesionej metodą natrysku przedstawiono na ryc. 3. Zaobserwowano, że dzięki tej procedurze powlekania uzyskano stosunkowo jednorodną warstwę kompozytu polimer-zeolit pod względem luminescencji. Obraz z mikroskopu elektronowego pokazuje, że kryształy zeolitu nie ulegają zmianie w wyniku procedury powlekania. Wykazano również, przy użyciu własnoręcznie wykonanej komory grzewczo-próżniowej, że warstwa polimer-zeolit zachowuje właściwości wrażliwe na wilgoć, które obserwowano wcześniej u zeolitu w formie proszku.

Obrazy SEM mikrokryształów; wykres przedstawia widma wzbudzenia/emisji z wartościami EQE w procentach.
Rycina 1: Obrazy SEM i właściwości luminescencyjne srebrnych form LTA zeolitu. Mikrografy SEM oraz dwuwymiarowe wykresy wzbudzenia-emisji dla LTA(Na)-Ag (a,b) oraz LTA(Li)-Ag (c,d). Wstawki na dwuwymiarowych wykresach wzbudzenia-emisji pokazują przewidywane kolory emisji próbek przy różnych długościach fali wzbudzenia (254, 300, 366 i 450 nm). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Układ analizy termicznej, krzywa TGA, widma emisyjne w różnych temperaturach, fluorescencja MOF.
Rycina 2: Wpływ stopnia uwodnienia na właściwości luminescencyjne LTA(Li)-Ag. a) Schematyczne przedstawienie własnoręcznie skonstruowanej komory grzewczej/pod próżnią używanej w tym badaniu. b) Wykres TGA dla próbki LTA(Li)-Ag. c) Znormalizowane widma emisyjne (wzbudzane promieniowaniem o długości fali 260 nm) próbki LTA(Li)-Ag zmierzone w różnych temperaturach. d) Schemat ilustrujący zmianę koloru emisji rzeczywistych próbek w zależności od zawartości wody. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Analiza cienkiej warstwy; fluorescencja, obrazy SEM; wykresy długości emisji w funkcji cykli/temperatury.
Rycina 3: Świecący czujnik wilgotności oparty na kompozycie LTA(Li)-Ag/PEI. a) Zdjęcia powleczonej płytki w oświetleniu dziennym. (b,c) Obrazy płytki powleczonej w stanie odwodnionym i uwodnionym pod wpływem napromieniowania światłem UV o długości fali 254 nm, odpowiednio. d) Mikrofotografia SEM osadzonej warstwy, pokazująca rozmieszczenie kryształów LTA(Li)-Ag na powierzchni kwarcu. Wkładka przedstawia powiększenie wybranego obszaru oryginalnej mikrofotografii SEM. e) Maksima emisji uwodnionego i odwodnionego kompozytu zeolitowego PEI/LTA(Li)-Ag podczas 10 cykli uwodnienia/odwadniania przy długości fali wzbudzenia 260 nm. f) Wykres przedstawiający zachowanie profili maksimów emisji kompozytu zeolitowego PEI/LTA(Li)-Ag po 10 cyklach uwodnienia/odwadniania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Dyskusja

Proste urządzenie demonstrujące słuszność koncepcji wykorzystania LTA(Li)-Ag jako czujnika wilgotności opartego na luminescencji zostało wyprodukowane poprzez natryskowe nałożenie proszku LTA(Li)-Ag zawieszonego w roztworze PEI na płytkę kwarcową. Roztwór PEI wytwarza warstwę polimeru o jednorodnej grubości po odparowaniu wody. Warstwa kompozytowa polimerowo-zeolitowa wykazuje podobne właściwości luminescencyjne jak zeolit w postaci proszku. Kompozyt zeolitowy PEI/LTA(Li)-Ag wykazuje oczekiwane właściwości luminescencyjne reagujące na wodę, których barwa emisyjna zmienia się wraz ze zmianami zawartości wody w kompozycie w stosunkowo niskiej skali wilgotności.

Zastąpienie jonów Na jonami Li w zeolitach LTA (obliczony kurs wymiany 33%) ma znaczący wpływ na samoorganizację i stabilizację luminescencyjnych klastrów srebra w rusztowaniach LTA(Li), prowadząc do unikalnych właściwości optycznych. EQE próbek LTA(Li)-Ag w porównaniu z próbkami LTA(Na)-Ag jest zwiększone o więcej niż jeden rząd wielkości. Co więcej, kolory emisji wyświetlane przez próbki LTA(Li)-Ag są zależne od wody, co zapewnia potencjalne zastosowanie próbek jako czujników wilgotności opartych na luminescencji.

W ten sposób zademonstrowaliśmy łatwą metodę wytwarzania czujnika wilgotności przypominającego folię luminescencyjną, za pomocą którego zmiany poziomu nawodnienia mogą być wizualnie monitorowane za pomocą lampy UV. Dostępność surowców, bezpośrednia wizualizacja zmian koloru skorelowanych z zawartością wilgoci, fotostabilność folii i względna łatwość wytwarzania opłacalnych urządzeń sprawiają, że te materiały luminescencyjne są potencjalnymi kandydatami do konkurowania z najnowocześniejszymi czujnikami wilgotności opartymi na reakcjach elektrycznych. Procedura opisana w tym raporcie może być również zastosowana i rozszerzona na różne podłoża, w różnych skalach mikro i makro, aby zwiększyć elastyczność czujnika. Ponadto w protokole tym omówiono kilka krytycznych etapów podczas wytwarzania a-zeolitów, które odgrywają ważną rolę w określaniu ostatecznych właściwości optycznych takich materiałów. Na przykład wstępne oczyszczanie surowca zeolitowego prowadzi do usunięcia zanieczyszczeń optycznych i chemicznych, a także do jednorodnego rozkładu wielkości kryształów zeolitu. Ma to kluczowe znaczenie dla włączenia zeolitów do funkcjonalnych urządzeń. Jednym z ograniczeń obecnej metodyki jest ograniczenie stosowania czujników cienkowarstwowych w temperaturze powyżej 75 °C. Wynika to głównie z rozkładu polimeru PEI, a nie z degradacji zeolitów LTA(Li)-Ag, które mogą wytrzymać do 500 °C. Zastosowanie polimerów żaroodpornych, takich jak alkohol poliwinylowy, może rozszerzyć zakres temperatur nawet o 200 °C. Oczekujemy, że dalsze badania będą ukierunkowane na opracowanie metodyk syntezy nanostrukturalnych kompozytów agen-zeolitowych o właściwościach (wielo)funkcyjnych, a docelowo na projektowanie zaawansowanych prototypów sensorów.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy dziękują za wsparcie finansowe ze strony belgijskiego rządu federalnego (Biełspo poprzez programy IAP VI/27 i IAP-7/05), Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej (FP7/2007-2013 na podstawie umowy o grant nr 310651 SACS), rządu flamandzkiego w formie długoterminowego finansowania strukturalnego "Methusalem" grantu METH/08/04 CASAS, programu SoPPoM "Strategisch Initiatief Materialen", oraz grant Funduszu Badań Naukowych Flandrii (FWO) G.0349.12. W.B. z wdzięcznością dziękuje wydziałowi chemii KU Leuven za stypendium FLOF. Autorzy dziękują UOP Antwerpia za przekazanie próbek zeolitu oraz warsztatowi mechanicznemu KU Leuven za pomoc w projektowaniu i budowie ogniwa grzewczego/próżniowego wykorzystanego w tym badaniu.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Zeolit LTA(Na)UOPAdsorbent Molsiv 4A
Azotan srebraSigma Aldrich209139≥ 99,0%
azotan lituSigma Aldrich62574≥ 99,0%, kalk. na suchych masach
Roztwór polietylenoiminySigma Aldrich3880~50% H2O
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)JEOLJSM-6010LV
Analizator termograwimetrycznyInstrumenty TAQ500
SpektrofluorymetrEdinburghinstruments FLS980-s
Sfera całkującaSfera laboratoryjna4P-GPS-033-SL

Bibliografia

  1. De Cremer, G., et al. Characterization of Fluorescence in Heat-Treated Silver-Exchanged Zeolites. J. Am. Chem. Soc. 131, 3049-3056 (2009).
  2. De Cremer, G., et al. Optical Encoding of Silver Zeolite Microcarriers. Adv. Mater. 22, 957-960 (2010).
  3. Coutino-Gonzalez, E., et al. X-ray Irradiation-Induced Formation of Luminescent Silver Clusters in Nanoporous Matrices. Chem. Commun. 50, 1350-1352 (2014).
  4. De Cremer, G., et al. In Situ Observation of the Emission Characteristics of Zeolite-Hosted Silver Species During Heat Treatment. ChemPhysChem. 11, 1627-1631 (2010).
  5. Coutino-Gonzalez, E., et al. Thermally Activated LTA(Li)-Ag Zeolites with Water-Responsive Photoluminescence Properties. J. Mater. Chem. C. 3, 11857-11867 (2015).
  6. Seifert, R., Kunzmann, A., Calzaferri, G. The Yellow Color of Silver-Containing Zeolite. A. Angew. Chem. Int. Ed. 37, 1522-1524 (1998).
  7. Seifert, R., Calzaferri, G. Colors of Ag+-Exchanged Zeolite A. J. Phys. Chem. A. 104, 7473-7483 (2000).
  8. Sazama, P., Jirglova, H., Dedecek, J. Ag-ZSM-5 Zeolite as High-Temperature Water-Vapor Sensor Material. Mat. Lett. 62, 4239-4241 (2008).
  9. Zheng, Y., Li, X., Dutta, P. K. Exploitation of Unique Properties of Zeolites in the Development of Gas Sensors. Sensors. 12, 5170-5194 (2012).
  10. Sun, T., Seff, K. Silver Clusters and Chemistry in Zeolites. Chem. Rev. 94, 857-870 (1994).
  11. Yu, Y., Ma, J. P., Dong, Y. B. Luminescent Humidity Sensors Based on Porous Ln3+-MOFs. Cryst. Eng. Comm. 14, 7157-7160 (2012).
  12. Qi, H., Mader, E., Liu, J. Unique Water Sensors Based on . Sensor. Actuat. B-Chem. 185, 225-230 (2013).
  13. Basabe-Desmonts, L., Reinhoudt, D. N., Crego-Calama, M. Design of Fluorescent Materials for Chemical Sensing. Chem. Soc. Rev. 36, 993-1017 (2007).
  14. Yamazoe, N., Shimzu, Y. Humidity Sensors - Principles and Applications. Sensor. Actuator. 10, 379-398 (1986).
  15. International Organization of Legal Metrology. The Scale of Relative Humidity of Air Certified Against Saturated Salt Solutions. , 1st, Paris. (1996).
  16. Coutino-Gonzalez, E., et al. Determination and Optimization of the Luminescent External Quantum Efficiency of Silver-Clusters Zeolite Composites. J. Phys. Chem. C. 117, 6998-7004 (2013).
  17. Yahiro, H., et al. EPR Study on NO Introduced into Lithium Ion-Exchanged LTA Zeolites. Phys. Chem. Chem. Phys. 4, 4255-4259 (2002).
  18. Shelyakina, M. K., et al. Study of Zeolite Influence on Analytical Characteristics of Urea Biosensor Based on Ion-Selective Field-Effect Transistors. Nanoscale Res. Lett. 9, 124(2014).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Kompozyty zeolitu ze srebremwytwarzanie czujnika wilgotno cipolimerowy kompozyt zeolitutechnika natryskowatraktowanie azotanem lituwymiana azotanem srebraroztw r polietyleniminypowlekanie p ytki kwarcowejcykle hydratacji i dehydratacjidetekcja oparta na luminescencji
Nanostrukturalne kompozyty agen-zeolitowe jako czujniki wilgotności oparte na luminescencji
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.