Reaktor fotokatalityczny o przepływie ciągłym do precyzyjnie kontrolowanego osadzania nanocząstek metalicznych

Kompozyty metali szlachetnych z materiałami przewodzącymi lub półprzewodnikowymi mają szerokie zastosowanie, od technologii medycznej po systemy konwersji energii, ale ich konwencjonalne metody syntezy nie nadają się do produkcji komercyjnej. Na przykład redukcja mikrofalowa jest potężną techniką, ale może przetworzyć tylko kilka mililitrów w każdej partii, podczas gdy komercyjna produkcja ogniw paliwowych na bazie grafenu/platyny wymagałaby przetworzenia kilku litrów zawiesiny w ciągu kilku minut. Aby rozwiązać ten problem, opracowaliśmy reaktor do osadzania fotokatalitycznego, który można łatwo rozbudować i może pracować w sposób ciągły.

W naszym systemie fotoosadzania małe porcje reagentów są oświetlane przez krótkie, regulowane okresy czasu. Pozwala nam to skutecznie kontrolować procesy zarodkowania i wzrostu nawet przy zwiększaniu skali reaktora. Na początek przykryj wewnętrzną powierzchnię rury z polichlorku winylu o wymiarach 15 na 55 centymetrów grubą, polerowaną, samoprzylepną folią aluminiową.

Rozmieść pięć 55-watowych lamp UV-C równomiernie wokół wnętrza rury. Następnie owiń rurkę kwarcową o wymiarach 0,5 cm na 55 centymetrów kawałkami folii aluminiowej z klejem, aby utworzyć kilka równie szerokich okien rozmieszczonych równomiernie na środku rurki. Pozostaw 2,5 centymetra rurki odsłonięte na każdym końcu.

Zamontuj rurkę kwarcową na środku rurki PVC, aby utworzyć komorę oświetleniową, i podłącz nieprzezroczystą plastikową rurkę do każdego końca. Następnie zamontuj rurę pionowo w dygestoriach i zamocuj wytrzymały wentylator na dolnym końcu w celu chłodzenia, Następnie ustaw pompę z napędem magnetycznym na podniesionej platformie z dolną częścią pompy nad górną częścią magnetycznej płyty mieszającej. Zacisnąć jednolitrowy lejek separacyjny nieco wyżej niż pompa.

Użyj trójnika i nieprzezroczystej rurki z tworzywa sztucznego, aby połączyć wylot lejka separatora z górną częścią rurki kwarcowej i wlotem pompy magnetycznej. Następnie przełóż rurkę od spodu rurki kwarcowej i wylot pompy przez przegrodę jednolitrowej butelki wyposażonej w mieszadło tak, aby końce rurki znajdowały się od dwóch do trzech centymetrów nad mieszadłem. Ta butelka będzie zbiornikiem.

Następnie podłącz trójnik do zaworów pobierania próbek i zaworów odprowadzających oraz odcinek nieprzezroczystej rurki z tworzywa sztucznego. Włożyć rurkę do zbiornika i podłączyć zawór do pobierania próbek do złączki strzykawki. Na koniec poprowadź przewód wydechowy gazu ze zbiornika do bełkotki wodnej.

Aby rozpocząć syntezę, dodaj dwa gramy grafitu i 100 mililitrów 98% wagowo kwasu siarkowego do 500-mililitrowej kolby Erlenmeyera wyposażonej w duże mieszadło magnetyczne. Schłodzić mieszaninę do około zera stopni Celsjusza w lodowatej kąpieli wodnej, mieszając. Następnie dodaj jeden gram nadmanganianu potasu w ciągu jednej minuty, mieszając.

Pozwól mieszaninie mieszać przez kolejne cztery minuty. Powtórz ten proces jeszcze pięć razy, aby dodać w sumie sześć gramów w ciągu 30 minut. Po zakończeniu dodawania usuń kąpiel i kontynuuj mieszanie mieszaniny przez sześć godzin.

Następnie schłodzić mieszaninę w lodowatej kąpieli wodnej, mieszając przez 15 minut. Dodaj kroplami 250 mililitrów wody destylowanej do mieszającej mieszanki. Usuń łaźnię lodowo-wodną i dodaj kroplami 10 mililitrów nadtlenku wodoru do mieszaniny mieszającej.

Następnie dodaj jednorazowo 20 mililitrów nadtlenku wodoru i kontynuuj mieszanie w temperaturze pokojowej przez 30 minut. Powstałą zawiesinę odwirować o stężeniu 3 500 g przez 15 minut i odrzucić supernatant. Mieszaj ciała stałe w jednym litrze wody destylowanej przez 30 minut, ponownie odwiruj, usuń supernatant i sprawdź jego pH.

Przemyć ciała stałe w ten sposób, aż pH supernatantu osiągnie pięć. Następnie połącz przemyty osad z 500 mililitrami jednomolowego kwasu solnego i mieszaj przez godzinę. Myć produkt do momentu, gdy pH sklarowanego osadu osiągnie pięć.

Rozproszyć umyte ciała stałe w jednym litrze wody destylowanej i sonikować mieszaninę przez trzy godziny w temperaturze około pokojowej. Powstałą mieszaninę tlenku grafenu należy odwirować przez 15 do 20 minut w temperaturze 3,500 g w temperaturze pokojowej trzykrotnie, za każdym razem odrzucając osad. Przenieś zawiesinę tlenku grafenu do barwionej lub owiniętej folią szklanej butelki.

Następnie zważyć trzy suche naczynia krystalizacyjne na wadze analitycznej po trzy razy każda. Dobrze wstrząśnij zawiesiną tlenku grafenu i pozwól jej osiąść na minutę. Następnie do każdego naczynia wlej dokładnie 100 mililitrów zawiesiny.

Naczynia przechowuj w piekarniku w temperaturze od 70 do 80 stopni Celsjusza, aż ich zawartość całkowicie wyschnie. Następnie zważ każdą szalkę trzy razy na tej samej wadze analitycznej i oblicz suchą masę tlenku grafenu w każdym naczyniu. Określić stężenie zawiesiny na podstawie średniej z tych wartości.

Następnie rozcieńczyć zawiesinę do 0,2 grama na litr i powoli dodawać ją do równej objętości czteromolowego wodorotlenku sodu. Refluksuj mieszaninę w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez osiem godzin i pozwól jej ostygnąć do temperatury pokojowej. Przemyj częściowo zredukowany osad tlenku grafenu, aż supernatant osiągnie pH od siedmiu do ośmiu, a następnie przechowuj go w barwionej lub owiniętej folią butelce.

Przygotuj 540 mililitrów zawiesiny częściowo zredukowanego tlenku grafenu o stężeniu 50 miligramów na mililitr w wodzie destylowanej i poddaj ją sonikacji w kąpieli lodowatej przez godzinę przy mocy 40%. Następnie dodaj 60 mililitrów etanolu klasy analitycznej i poddaj mieszaninę sonikacji w łaźni lodowatej przez kolejną godzinę. Następnie dodaj 169 mikrolitrów 8% wagowo wodnego kwasu heksachloroplatynowego do mieszaniny grafenu i kontynuuj mieszanie w temperaturze pokojowej przez 15 minut.

Następnie wlać mieszaninę do lejka separacyjnego reaktora i zakorkować go. Otwórz zawór odcinający, aby wprowadzić reagent do układu i natychmiast go zamknij, gdy lejek jest pusty, aby pęcherzyki gazu nie dostały się do rurki. Uruchom pompę z prędkością 16 litrów na minutę i przepływaj azot przez reaktor z prędkością, która wytwarza stały strumień pęcherzyków.

Mieszać zawiesinę z prędkością około 1 000 obr./min przez 30 minut, aby usunąć rozpuszczony tlen. Następnie zmniejsz przepływ azotu i włącz lampy UV. Po pięciu minutach zwiększ przepływ azotu i podłącz 20-mililitrową strzykawkę Luer-Lok do linii próbki.

Lekko przytrzymać tłok strzykawki, aby zapobiec jego wyrzuceniu, a następnie otworzyć zawór pobierania próbek. Zebrać 20 mililitrów zawiesiny, zamknąć zawór do pobierania próbek i odłączyć strzykawkę. Otwórz zawór spustowy rurki, aby przepłukać rurkę, a następnie zamknij zawór i zmniejsz przepływ azotu do poprzedniego poziomu.

Odwirować próbkę o masie 10 000 g przez 10 minut i odłożyć supernatant do analizy stężenia kationów metali. Umyj ciała stałe dwukrotnie, mieszając 20-mililitrowe porcje wody destylowanej i odwirowując w tych samych warunkach. Następnie rozproszyć ciała stałe w 50 mililitrach wody destylowanej przez delikatną sonikację przez jedną godzinę.

Rozpuść jeden miligram kwasu askorbinowego w dyspersji i mieszaj mieszaninę w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez godzinę. Zebrać i przepłukać osad zgodnie z wcześniejszym opisem, a następnie przechowywać przemyty osad do dalszej charakterystyki. Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów potwierdziła, że nanocząstki platyny i złota zostały z powodzeniem osadzone na zredukowanym tlenku grafenu i dwutlenku tytanu.

Dekonwolucja pików platyny 4f i złota 4f o wysokiej rozdzielczości nie wykazała żadnych składników niemetalicznych, co wskazuje, że kationy platynowej czwórki i złota trzy zostały zredukowane odpowiednio do zera platyny i zera złota. Dawka oświetlenia na ekspozycję (IDE) została zoptymalizowana dla każdego kompozytu, aby uzyskać stosunkowo równomierny rozkład małych nanocząstek metali szlachetnych na podłożach. Gdy IDE było zbyt wysokie, zubożenie wokół rosnących cząstek nie sprzyjało tworzeniu się jąder w pobliżu, co skutkowało dużymi cząstkami i szerokim rozkładem rozmiarów.

IDE zostało dostosowane poprzez zmianę liczby lamp UV i obszaru ekspozycji reaktora. Gdy IDE było zbyt niskie, fotodepozycja nie powiodła się z powodu niewystarczającej ilości fotowzbudzonych elektronów do powstania stabilnego jądra, jak widać tutaj. Poszerzenie okien do dwóch centymetrów pozwoliło uzyskać pożądane zachowanie fotoosadzania dla kompozytu platynowo-grafenowego.

Naświetlenie całej rurki reaktora zwiększyło szybkość fotoosadzania bez znacznego pogorszenia wielkości cząstek i monodyspersyjności. Proces osadzania jest kontrolowany poprzez wykreślanie krzywych stężenia w czasie w różnych warunkach w celu określenia optymalnego projektu reaktora i IDE. Przeprowadzenie fotoosadzania w liniowym obszarze czasu koncentracji pozwala na ciągłe zbieranie produktu po znanym czasie cyrkulacji.

Chociaż demonstrujemy syntezę kompozytów platynowo-grafenowych, ta metoda i reaktor mogą być również stosowane do osadzania innych metali szlachetnych na różnych półprzewodnikach. Ten reaktor o przepływie ciągłym może być również wykorzystywany do innych metod syntezy chemicznej, w których reakcje są inicjowane światłem.