Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

Fotokemiske oxidative Vækst af Iridium Oxide Nanopartikler på CdSe @ CdS nanorods

doi: 10.3791/53675 Published: February 11, 2016

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Fotokatalyse præsenterer en attraktiv og lovende løsning til produktion af vedvarende energi og andre miljømæssige applikationer såsom vandrensning og luftrensning 1-3. Samlet vandspaltning, drevet af solenergi, kunne være en kilde til ren og vedvarende brint brændstof; Trods årtiers forskning, systemer, der er tilstrækkelig stabil og effektiv til praktisk anvendelse er endnu ikke realiseret.

Både photodeposition og halvleder-medieret fotokatalyse stole på den samme mekanisme til adskillelse af foto-genererede elektron-hul par og køre dem til overfladen, hvor de kan initiere redoxreaktioner. Lighederne mellem disse to processer gør photodeposition et attraktivt syntetisk værktøj til området for fotokatalyse 4-6. Denne fremgangsmåde forventes at tage photocatalyst produktion til nye og uudforskede grænser. Det kan potentielt tilbyde uberørt kontrol over den rumlige arrangementaf de forskellige komponenter i en heterostrukturer og fremme evnen til at konstruere avancerede nanopartikel-systemer. I sidste ende den metode vil bringe os et skridt tættere på at realisere en effektiv fotokatalysator til direkte sol-til-brændstof energi konvertering.

Vi undersøgte væksten af Iro 2 som en co-katalysator, som det er kendt for at være en effektiv katalysator for vand oxidation 7-11. En justerbar struktur kvantepunkt (CdSe) indlejret i en stang (cadmium sulfid) 12,13 blev brugt som vores fotokatalysator substrat 14,15. Det er endnu ikke fastlagt, om den oxidative pathway forekommer via en medieret vej, eller ved en direkte hul angreb. Her kan vores viden og kontrol over de fotogenererede huller i halvleder heterostruktur udnyttes til en mekanistisk studie af oxidation reaktioner. Dette er gjort muligt ved substratet arkitektur, hvilket letter lokalisering af lukkede huller 16,17 og dannelse af endistinkt oxidationsreaktion site på stangen. Brugen af ​​nanoskala materialer med lokaliseret ladning luftfartsselskab kan udnyttes til mekanistiske studier af redoxreaktioner ved simpel undersøgelse af produkterne. På denne måde photodeposition kan anvendes som en unik probe af både reduktion og oxidation reaktionsveje. Dette er et eksempel på de nye og spændende muligheder, som kombinationen af photodeposition og banebrydende kolloid syntese 18-20.

Den søgen efter at udvikle en effektiv fotokatalysator for vand opdeling og energiomsætning vedvarende er blevet et vigtigt fremstød inden for materialer samfund. Dette har ansporet verdensomspændende interesse i CdS, som er kendt for at være meget aktive til hydrogenproduktion, selvom det er hæmmet af fotokemisk ustabilitet. Vores arbejde her behandler akilleshælen af ​​materialet. IRO 2 dekoreret CdSe @ CdS stænger demonstrere bemærkelsesværdig fotokemisk stabilitet under langvarig belysning i renvand.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Syntese af Quantum Dots 21

  1. Fremstilling af TOP: Se precursor
    1. Kombiner 58 mg af Se pulver med 0,360 g tri-n-octylphosphine (TOP) i et hætteglas med et septum.
    2. Soniker TOP: Se blandingen, indtil det er klart, uden faste stoffer.
  2. Syntese af CdSe
    1. Kombiner 3,0 g trioctylphosphinoxid (TOPO), 280 mg n-octadecylphosphonsyre-(ODPA), og 60 mg CdO med en 3 mm x 8 mm cylindrisk omrører i en 25 ml 3-halset rundbundet kolbe udstyret med et termoelement (indføjet i en brugerdefineret glas adapter), en tilbagesvaler med en T-samling (center hals), og en gummiskillevæg. Saml alle glas-til-glas samlinger med høj temperatur vakuum fedt. Forbind T-forbindelsen til en Schlenk linie i den ene ende, der kan skiftes mellem en ren inert gas og vakuum, medens forbinde den anden ende til en bobleflasken.
      Advarsel: CdO er meget giftigt, og skal vejes og lægges til rundbundet kolbe inde i en lukket environment såsom en handskerummet.
    2. Placer rundbundet kolbe apparatet i en varmekappe, og rense med inert gas.
    3. Varm de faste stoffer i rundbundet kolbe til 150 ° C, og sørg for at begynde kraftig omrøring, når forbindelser smelte (ca. 60-80 ° C). For at undgå overskridelse måltemperaturen, opvarm til 100 ° C og derefter 150 ° C, når opvarmningshastigheden bremser eller stabiliserer.
    4. Afgasses blandingen under vakuum (ved 150 ° C) i mindst 1 time, mens der stadig omrøring. Sørg for, at T-forbindelsen er ikke åbent for bobleflasken eller olien vil blive suget ind i kolben og Schlenk linie. Når du flytter fra gas til vakuum være omhyggelig med at overgangen langsomt for at undgå mere end en rullende kog.
    5. kolben med inert gas refill (og fortsætte med at strømme gas over prøven) og hæve temperaturen til 350 ° C. Opløsningen skal dreje klar, som den varmes op, og overskydende faste stoffer på kolben væggen kan opsamles ved omhyggelig hvirvlende af kolben. Injicer 1,5 g TOP i kolben gennem skillevæggen. Lad opløsningen temperaturen at stabilisere sig, før du fortsætter.
      Bemærk: prøv at minimere mængden af ​​luft / fugtighed injiceret ved at holde toppen i et septa hætteglas under inert atmosfære, og injicere det så hurtigt som muligt.
    6. Sprøjt alle TOP: Se blanding (udarbejdet i afsnit 1.1) ind i kolben gennem septum, ved hjælp af en bred nål at injicere TOP: Se så hurtigt og ensartet som muligt.
    7. Lad reaktionen fortsætte i den ønskede tid, og fjerne fra varmekappe.
      1. For meget små frø fjernes fra varmen lige før injektion. For større frø fjerne kolben fra varmen umiddelbart efter injektion TOP: Se eller efter at have ventet op til 3 min. Længere vente resultere i større frø.
    8. Lad reaktionen afkøles til ca. 100 ° C og injicere ca. 5 ml afgasset toluen. Opløsningen overføres til et hætteglas under inert atmosfære for rengøring.
      IngenTe: For at forenkle denne proces kan placeres 10 ml toluen i en 20 ml hætteglas med en septa under konstant strøm af inert gas. Brug cirka halvdelen af ​​denne toluen at tilføre den kølende blanding, og derefter overføre den afkølede blanding tilbage i denne hætteglasset.
    9. Rensning af frø
      1. Sætte opløsningen i et 50 ml centrifugerør.
      2. Tilsæt methanol (ca. 5 ml) for at udfælde frøene fra toluen blandingen.
      3. Centrifuger ved 3.400 xg i 5 min.
      4. Dekanteres klar supernatant og re-pellet opløses i toluen (5-10 ml).
      5. Gentag trin 1.2.10.2 gennem 1.2.10.4 mindst tre gange i alt.
    10. Fortynd en lille prøve af frøene i toluen for at måle ultraviolet synligt (UV-VIS) absorbans mellem 350-800 nm. Brug toppene til at bestemme koncentrationen og størrelsen af de CdSe frø som beskrevet i litteraturen 22.

2. Syntese af Seeded Rods 21

  1. Udarbejdelse af TOP: S Precursor
    1. Kombiner 1,2 g S med 15 g TOP i et hætteglas med en omrører.
    2. Der omrøres indtil den er klar uden faste stoffer (sædvanligvis mindst 24 h).
    3. Mål 0,62 g af denne blanding i et hætteglas med et septum.
  2. Fremstilling af TOP: CdSe precursor
    1. Mål det passende volumen af ​​CdSe frø fra trin 1 (baseret på UV-Vis peak) i et hætteglas med et septum.
      Bemærk: For en beregnet koncentration af 5x10 -5 med 2,25 nm frø (begge værdier beregnet fra UV-Vis spektre 22), skal du bruge 300 pi løsning.
    2. Inddamp toluen under anvendelse af en vakuumledning indtil frøene er tørre. Lad ikke under vakuum i mere end 5-10 min gang tør, da dette kan forringe kvaliteten af ​​frøene.
    3. Re-opløse alle de tørrede frø i 0,5 g TOP.
  3. Syntese af CdSe @ Cd'er
    1. Kombiner 60 mg propylphosphonsyre (PPA), 3,35 g TOPO, 1.080 g ODPA, og 230 mg CdO med en 3 mm x 8 mm cylindrisk omrører i en 25 ml 3-halset rundbundet kolbe udstyret med et termoelement (indføjet i en brugerdefineret glas adapter), en tilbagesvaler med en T-samling (center hals ), og en gummiskillevæg. Saml alle glas-til-glas samlinger med høj temperatur vakuum fedt. Forbind T-forbindelsen til en Schlenk linie i den ene ende, der kan skiftes mellem en ren inert gas og vakuum, medens forbinde den anden ende til en bobleflasken.
      Advarsel: CdO er meget giftigt, og skal vejes og lægges til runde bund inde i en lukket miljø, såsom et handskerum. PPA er reguleret i nogle lande, og kan erstattes af butylphosphonic syre (BPA, 72 mg) eller hexylphosphonic syre (HPA, 80 mg), selv om BPA og HPA normalt resultere i kortere stænger.
    2. Placer rundbundet kolbe apparatet i en varmekappe, og rense med inert gas.
    3. Varm de faste stoffer i rundbundet kolbe til 120 ° C, og sørg for at begynde kraftig omrøring, når compounds smelte (ca. 60-80 ° C). For at undgå overskridelse måltemperaturen, opvarm til 90 ° C og derefter 120 ° C, når opvarmningshastigheden bremser eller stabiliserer.
    4. Afgasses blandingen under vakuum (ved 120 ° C) i mindst ½ time, mens der stadig omrøring.
      1. Sørg for, at T-forbindelsen er ikke åbent for bobleflasken eller olien vil blive suget ind i kolben og Schlenk linie. Når du flytter fra gas til vakuum være omhyggelig med at overgangen langsomt for at undgå mere end en rullende kog. Brug en kold fælde med flydende nitrogen (LN2) for en bedre vakuum.
    5. kolben med inert gas refill (og fortsætte med at strømme gas over prøven) og hæve temperaturen til 320 ° C. Opløsningen skal dreje klar, som den varmes op, og overskydende faste stoffer på kolben væggen kan opsamles ved omhyggelig hvirvlende af kolben.
    6. Køle ned til 120 ° C og afgasses under vakuum som i trin 1.2.4.
    7. Fyld og kolben genopvarmning som i trin 1.2.5.
    8. Injicer 1,5 g TOP i kolben gennem skillevæggen. Lad opløsningen temperaturen at stabilisere sig på 340 ° C, før du fortsætter.
      Bemærk: prøv at minimere mængden af ​​luft / fugtighed injiceret ved at holde toppen i et septa hætteglas under inert atmosfære, og injicere det så hurtigt som muligt.
    9. Sprøjt TOP: S blandingen i kolben gennem septum, ved hjælp af en bred nål at injicere TOP: S så hurtigt og ensartet som muligt. Start en timer.
    10. Præcis 20 sekunder efter injektion TOP: S, injicere TOP: CdSe blandingen i kolben gennem septum, ved hjælp af en bred nål at injicere TOP: CdSe så hurtigt og ensartet som muligt.
      Bemærk: Temperaturen bør være faldet til under 330 ° C ved dette punkt på grund af tilsætningen af ​​RT TOP løsninger.
    11. Indstil temperaturen til 320 ° C og lade reaktionen forløbe i det ønskede tidsrum (8-15 min), og fjerne fra varmekappe.
    12. Lad reaktionen køle væk fra varme kappe end injicere ca. 5 ml afgasset toluen når temperaturen når ca. 100 ° C. Opløsningen overføres til et hætteglas under inert atmosfære for rengøring.
      Bemærk: For at forenkle denne proces kan placeres 10 ml toluen i en 20 ml hætteglas med en septa under konstant strøm af inert gas. Brug cirka halvdelen af ​​denne toluen at tilføre den kølende blanding, og derefter overføre den afkølede blanding tilbage i denne hætteglasset.
    13. Rengøring af stænger
      1. Sætte opløsningen i et 50 ml centrifugerør.
      2. Tilsæt methanol (ca. 5 ml) for at udfælde frøene fra toluen blandingen.
      3. Centrifuger ved 3.400 xg i 5 min.
      4. Dekanteres klar supernatant og re-pellet opløses i ca. 10 ml hexan.
      5. Tilføj 1-2 ml hver af n-octylamin og nonansyre til opløsningen. Opløsningen skal være gennemsigtig.
      6. Tilsæt 5 ml methanol, og der centrifugeres i 5 minutter ved 3.400 x g.
      7. Gentag trin 2.3.13.4 gennem 2.3.13.6 mindst to gange mere.
      8. Re-opløse pellet i 10 ml toluen. Hvis pillen ikke let opløses, er flere trin rengøring sandsynligvis brug for, i hvilket tilfælde du gentage trin 2.3.13.4 gennem 2.3.13.6.
      9. Der tilsættes ca. 7 ml IPA, 1 ml ad gangen, indtil opløsningen er let uklar, selv når de blandes.
      10. Centrifuger i 30 minutter ved 2.200 xg for at separere længere stænger fra alt andet.
      11. Re-opløse pellet i 10-15 ml toluen.
    14. Fortynd en lille prøve af frøene i toluen for at måle UV-Vis-absorbans og / eller fotoluminescens (PL) af stængerne.
      Bemærk: Enhver rumfanget er acceptabel, så længe fortyndingsfaktoren er kendt, dog ville en typisk fortyndingsfaktor være 20. PL, bør absorptionen være på eller under 0,1 ved den valgte excitation bølgelængde (typisk bruge 450 nm).

3. Overførsel af Medfølgende Rods til vandig opløsning

  1. Preparation af methanolopløsning
    1. Hæld ca. 10 ml methanol i et centrifugerør.
    2. Der tilsættes ca. 250 mg mercaptoundecanoic syre (MUA) og 400 mg tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).
    3. Vortex eller lad sidde indtil alle faste stoffer helt opløst.
  2. ligand Exchange
    1. Tilsæt methanol (5-10 ml, eller nok til at udfælde stængerne) til ¼ til ½ af stænger syntetiseret fra trin 2 i et centrifugeglas.
      Bemærk: Mængden af ​​stænger anvendes, vil være afhængig af mængden af ​​toluen til opløsning af stænger til opbevaring. Hvis der anvendes 10-15 ml som foreslået i trin 2.3.13.11, derefter 3-6 ml af stangen opløsning skal være hensigtsmæssigt.
    2. Centrifuger ved 3.400 xg i 5 min.
    3. Dekanteres den klare supernatant.
    4. Tilføj alle af methanol løsning fra afsnit 3.1 til pillen.
    5. Vortex eller ryste med hånden for at opløses fuldstændigt. Lad opløsningen sidde mindst 1 time for at tillade maksimal ligandudveksling at forekomme.
      Note: Opløsningen skal have lov til at sidde i mindst 1 time, selv om det synes at opløse umiddelbart og fuldstændigt
    6. Adskil opløsningen i to halvdele i to centrifugerør.
      Bemærk: Save centrifugerøret anvendt i trin 3.1 og overføre halvdelen af ​​opløsningen ind der.
    7. Der tilsættes 20 ml toluen til hver halvdel. Hvis der er en faseadskillelse mellem alkoholen og toluen tilsættes methanol dråbevis, indtil faserne rekombinerer.
    8. Centrifuger ved 7.700 xg i 15 min.
    9. Meget forsigtigt skilles den klare supernatant fra pellet.
    10. Vend centrifugerør omhyggeligt for at tørre prøven.
    11. Tilsæt 5 ml ultrarent vand til bundfaldet og opbevares i et hætteglas indpakket godt i Al folie (eller anden uigennemsigtig belægning).
      Bemærk: Når flyttet fra toluen til vand, stængerne er ikke fotostabilt, hvilket er grunden til de er dækket. Selv hvis den opbevares i mørke stængerne bør anvendes så hurtigt som muligt, og det anbefales ikke at gemme stænger i vand imere end en måned.

4. Vækst af Iridium Nanokrystallinske partikler

  1. Natriumhydroxid
    1. I en plast hætteglas afvejes 1.450 mg NaOH. Opløs NaOH i 20 ml ultrarent vand. Opløsningen skal være klar uden faste stoffer.
  2. natriumpersulfat
    1. I en plastik hætteglas afvejes 950 mg NaS 2 O 8. Opløs NaS 2 O 8 i 20 ml ultrarent vand. Opløsningen skal være klar uden faste stoffer.
  3. natriumnitrat
    1. I en plast hætteglas afvejes 300 mg NaNO 3. opløses NaNO 3 i 18 ml ultrarent vand. Opløsningen skal være klar uden faste stoffer.
  4. Iridium forstadieopløsning
    1. I en plast hætteglas afvejes 50 mg Na 3 IrCl 6. Opløs Na3 IrCl 6 i 5,0 ml ultrarent vand. Løsning bør være gennemsigtig brun (ligesom scotch) uden faste stoffer.
  5. Preparation af prøve
    1. Placer en spektroskopisk omrører i en standard polystyren cuvette.
      Bemærk: Da opløsningen er meget grundlæggende, bør ikke anvendes kvarts og andre glaskuvetter.
    2. Tilføj 0,20 ml iridium precursor opløsning fra trin 4.4.1.
    3. Tilføj 0,50 ml nitrat opløsning fra trin 4.3.1.
    4. Tilføj 0,30 ml seedede stænger i vand fra afsnit 3 (trace toluen fra liganden udveksling kan medføre uklarhed af kuvetten væg).
    5. Tilsættes 0,50 ml persulfat opløsning fra trin 4.2.1.
    6. Tilsættes 0,50 ml natriumhydroxidopløsning fra trin 4.1.1.
  6. Belysning af prøven
    1. Anbring kuvetten i en holder under omrøring kapaciteter.
    2. Belys med 450 nm lys ved 100 mW i op til 4 timer. Opløsningen skal blive grøn og senere blå.
  7. Indsamling prøve
    1. Hæld opløsning (men ikke omrører) i et centrifugerør.
    2. Centrifuger ved 7.700 xg i 10 min.
    3. Omsorgfuldt dekanter supernatanten fra pelleten, som bør være grøn eller blå afhængig af reaktionstiden valgt.
      Bemærk: Pillen kan nu opsamles eller dispergeret i et polært opløsningsmiddel ved lydbehandling til brug i andre eksperimenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Transmission elektronmikroskopiske optagelser (TEM) blev opsamlet for at se fordelingen af iridiumoxid på podede stænger (figur 1). TEM prøver blev fremstillet ved pipettering en dråbe af opløste partikler på en TEM gitter. Røntgendiffraktion (XRD, figur 2), og X-ray photoelectron spektre (XPS, figur 3) blev anvendt til at karakterisere den observerede vækst som en blanding af krystallinsk iro 2 og Ir 2 O 3. Fremstilling af XRD og XPS prøver blev udført ved tørring af partikler på objektglas. Nok prøve blev anvendt, således at en tyk film udviklet (figur 4). Belysningstiden viste sig at svare med partikelstørrelsen (figur 5), som kan anslås visuelt. Da iridium oxidpartikler vokse farveovergangene (figur 4) fra gul-orange (farven på nøgne stænger) til grøn (medium dækning af ~ 1 nm partikel) til blå (fuld dækning af ~ 2 nm partikler).

Figur 1
Figur 1. Elektronmikrografer af Iridium Oxide Coated Rods. Seedede stænger dækket i iridium oxid som ses i TEM ved lavere forstørrelse (A) og højere forstørrelse (B) samt ved hjælp af høj vinkel ringformet mørk felt imaging (C) (tilpasset fra ref [9]. -. Gengivet med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry) klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. Røntgendiffraktion mønster. XRD mønstre for (A) nøgne CdSe @ CdS stænger ( 2 og Ir 2 O 3. Indekseret mønstre for CdS (rød) IRO 2 (grøn) og Rh 2 O 3 (blå) er overlejret på diffraktionsmønstre. Ir 2 O 3 blev matchet ved hjælp af pulverdiffraktionsmønster fil til Rh 2 O 3, fordi den er for ustabil i bulk at karakterisere, endnu er blevet forudsagt under anvendelse af teoretisk modellering til at have en næsten identisk struktur (tilpasset fra Ref [9] -. Reproducerede tilladelse fra The Royal Society of Chemistry). klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. X-ray Photoelectron Spectrum. XPSblev anvendt til at understøtte tilstedeværelsen af både Iro 2 og Ir 2 O 3. Begge grunde er fra et typisk XPS spektrum for en prøve af CdSe @ CdS efter 2 timer fotokemisk vækst af iridium, over forskellige energi intervaller. Underskrifter af både Ir (III) (på omkring 65 eV) og Ir (IV) (på omkring 300 eV) blev observeret som vist i de spektrale peak deconvolutions (tilpasset fra Ref [9] -. Gengivet med tilladelse fra The Royal Society of Kemi). klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. visuelle udseende af Sample Efter forskellige Vækst Times. Pulver prøver forberedt til XRD som frembyder tørrede partikler af (A, orangerøde) bare stænger (B, grøn) stænger after 2 timer af belysning (C, blå) stænger efter 4 timers af belysning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Iridium Oxide vækst over tid. TEM mikrografier, der viser væksten af iridium oxid partikler over tid. (A) Kontrol, holdt i mørke. Kontrollen viser ingen iridium oxid vækst, og stænger på 4-5 nm diameter, uændret fra før eksperimentet. (B - F) Prøver belyst med ufiltreret lampe for (B) 10 min, (C) 45 min, (D) 2 h, (E - F) 4 timer. Denne serie viser progression fra små (<0,5 nm) iridium oxidpartikler, til larger (0,5-2 nm) partikler, til en fuld coating af iridiumoxid. Stængerne, der blev belyst i 4 timer har en samlet diameter på 9-10 nm, hvilket indikerer en 2-3 nm tyk belægning af iridium oxid er til stede (tilpasset fra Ref [9] -. Gengivet med tilladelse fra The Royal Society of Chemistry) . klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Syntesen af CdSe frø og CdSe @ CdS seedede stænger er blevet godt undersøgt 21,24,25. Mindre ændringer af mængder, temperaturer og tider for trin i syntesen af ​​disse substrat-partikler kan anvendes til at tune deres længde, diameter og / eller morfologi. Det syntetiske protokol beskrevet her giver meget fotoluminescerende podede-stave af ensartede dimensioner.

Proceduren liganden udveksling muliggør anvendelse af podede stænger i polære miljøer, i dette tilfælde vand. I de sidste faser af liganden udveksling, når pelleten opsamles til opløsning (efter udfældning ved toluen) pelleten ofte klæber dårligt til overfladen af ​​centrifugerøret. Det er meget vigtigt at dekantere og tørre denne pellet meget omhyggeligt, ellers er der risiko for at smide ud eller kontaminerende pelleten, der er blevet dannet. Frø og stænger i toluen og methanol er lette at præcipitere og indsamle gennem brug af en ikke-sålvent, men når stængerne er sat i vand, de er meget svære at indsamle eller flytte, hvis de er opløselige. Denne vanskelighed kommer fra ikke-blandbarhed af vand med ikke-polære ikke-opløsningsmidler, såsom toluen og hexan.

Når iridiumoxid er dyrket på overfladen af ​​podede stænger bliver de meget sværere at håndtere, da de aggregerer. Dette gjorde at arbejde med dem og derefter analysere dem en udfordrende bestræbelse. Lydbehandling i methanol eller vand frembringer en suspension, der kan opretholdes ved omrøring.

Tørrede prøver blev anvendt til XRD-analyse. XRD mønstre taget efter forskellige belysning tidspunkter viste en voksende top nær 2θ = 23 ° (figur 2), hvilket indikerer tidsafhængig vækst af et krystallinsk materiale. Høj opløsning spektre taget for rene stænger og stænger efter 2 timer af fotokemisk vækst iridium oxid blev også taget. Signal fra stangen prøve CdSe @ CdS viser en kamp med det forventede mønster for CdS [PDF # 00-006-0314], med manglende toppe tilskrives præference for de rene stænger til at ligge fladt på underlaget. Signal fra CdSe @ CdS stænger efter vækst af iridiumoxid viser de karakteristiske CdS toppe, sammen med ekstra toppe, herunder det ses i figur 2. Toppe i XRD-mønstret var meget lille (se figur 2), krævede lange scanninger (ved mindst 8 timer) på grund af den lille krystallitstørrelse. Nogle toppe passer godt med Iro 2 [PDF # 00-015-0870], mens andre passer godt med Rh 2 O 3 [PDF # 01-076-0148] (som er blevet teoretiseret at have en struktur næsten identisk med IR 2 O 3 - mønsteret for Ir 2 O 3 er ikke rapporteret i JCPDS databasen, fordi det er relativt ustabil 23). Svarende til XPS data, dette XRD data bekræfter tilstedeværelsen af Iro 2, og foreslår iridium vækst er en blanding af Iro 2 og Ir 2 O 3.

(f.eks dannelsen af den metastabile fase Ir 2 O 3), formentlig på grund af den unikke atomart niveau samspillet mellem depositum og underlaget. Desuden kan mellemprodukter produceret i de forskellige redoxreaktioner har interessant virkning på oxid formation; medføre fotokemisk co-deposition at fremstille eksklusive komplekse materialer. Den syntetiske fremgangsmåde beskrevet heri er første gang oxidative photodeposition er realiseret med CdS. We forventer, at denne syntetiske metodik i sidste ende vil give mulighed for udvikling af en stabil og effektiv soldrevet fotokatalyse vand.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Denne forskning blev støttet af I-CORE Program for Planlægning og budgettering Udvalg og The Israel Science Foundation (Grant nr 152/11). Vi takker Schulich Fakultet Kemi og Technion - Israel Institute of Technology for den renoverede laboratorium og opstart pakke. Vi takker også Royal Society of Chemistry om tilladelse til at tilpasse materialer fra http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K til brug i dette manuskript. Dr. Kalisman takker Schulich postdoc stipendium for deres støtte. Vi takker Dr. Yaron Kauffmann for hans hjælp med HR-TEM og HAADF samt Dr. kamira Weinfeld for hendes hjælp med XPS karakterisering.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sulfur (S) Sigma 84683
Selenium (Se) Sigma 229865
Cadmium Oxide (CdO) Sigma 202894 Highly Toxic
n-Octadecylphosphonic acid (ODPA) Sigma 715166
Propylphosphonic acid (PPA) Sigma 305685 Highly regulated in some countries and regions
Butylphosphonic acid (BPA) Sigma 737933 Alternative to PPA
Hexylphosphonic acid (HPA) Sigma 750034 Alternative to PPA
Trioctylphosphonic oxide (TOPO) Sigma 346187
Tri-n-octylphosphine, 97% (TOP) Sigma 718165 Air sensitive
Spectrochemical Stirbar Sigma Z363545
Sodium Hydroxide Sigma S5881
Methanol Sigma 322415
Toluene Sigma 244511
Hexane Sigma 296090
Octylamine Sigma 74988
Nonanoic Acid Sigma N5502
Isopropanol Sigma 278475
Mercaptoundecanoic Acid (MUA) Sigma 674427
Tetramethylammonium Hydroxide (TMAH) Sigma T7505
Apiezon H Grease (high temperature grease) Sigma Z273562
Sodium Persulfate Sigma 216232
Sodium Nitrate Sigma 229938
Sodium Hexachloroiridate(III) hydrate Sigma 288160
Mounted 455 nm LED Thorlabs M455L3
Cuvette Holder Thorlabs CVH100
25 ml 3-neck Round Bottom Flask Chemglass CG-1524-A-02
Liebig Condensor Chemglass CG-1218-A-20
T-Joint Adapter Chemglass AF-0509-10

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Maeda, K., et al. Photocatalyst releasing hydrogen from water. Nature. 440, (7082), 295-295 (2006).
  2. Jacobson, M. Z., Colella, W. G., Golden, D. M. Cleaning the Air and Improving Health with Hydrogen Fuel-Cell Vehicles. Science. 308, (5730), 1901-1905 (2005).
  3. Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W., Bahnemann, D. W. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis. Chem. Rev. 95, (1), 69-96 (1995).
  4. Dukovic, G., Merkle, M. G., Nelson, J. H., Hughes, S. M., Alivisatos, A. P. Photodeposition of Pt on Colloidal CdS and CdSe/CdS Semiconductor Nanostructures. Adv. Mater. 20, (22), 4306-4311 (2008).
  5. Menagen, G., Macdonald, J. E., Shemesh, Y., Popov, I., Banin, U. Au Growth on Semiconductor Nanorods: Photoinduced versus Thermal Growth Mechanisms. J. Am. Chem. Soc. 131, (47), 17406-17411 (2009).
  6. Alemseghed, M. G., Ruberu, T. P. A., Vela, J. Controlled Fabrication of Colloidal Semiconductor-Metal Hybrid Heterostructures: Site Selective Metal Photo Deposition. Chem. Mater. 23, (15), 3571-3579 (2011).
  7. Frame, F. A., et al. Photocatalytic Water Oxidation with Nonsensitized IrO2 Nanocrystals under Visible and UV Light. J. Am. Chem. Soc. 133, (19), 7264-7267 (2011).
  8. Iwase, A., Kato, H., Kudo, A. A Novel Photodeposition Method in the Presence of Nitrate Ions for Loading of an Iridium Oxide Cocatalyst for Water Splitting. Chemistry Letters. 34, (7), 946-947 (2005).
  9. Kalisman, P., Kauffmann, Y., Amirav, L. Photochemical oxidation on nanorod photocatalysts. J. Mater. Chem. 3, (7), 3261-3265 (2015).
  10. Ryu, W. H., et al. Crystalline IrO2-decorated TiO2 nanofiber scaffolds for robust and sustainable solar water oxidation. J. Mater. Chem. A. 2, (16), 5610-5615 (2014).
  11. Nakagawa, T., Bjorge, N. S., Murray, R. W. Electrogenerated IrOx Nanoparticles as Dissolved Redox Catalysts for Water Oxidation. J. Am. Chem. Soc. 131, (43), 15578-15579 (2009).
  12. Talapin, D. V., et al. Seeded Growth of Highly Luminescent CdSe/CdS Nanoheterostructures with Rod and Tetrapod Morphologies. Nano Lett. 7, (10), 2951-2959 (2007).
  13. Carbone, L., et al. Synthesis and Micrometer-Scale Assembly of Colloidal CdSe/CdS Nanorods Prepared by a Seeded Growth Approach. Nano Lett. 7, (10), 2942-2950 (2007).
  14. Amirav, L., Alivisatos, A. P. Photocatalytic Hydrogen Production with Tunable Nanorod Heterostructures. J. Phys. Chem. Lett. 1, (7), 1051-1054 (2010).
  15. Nakibli, Y., Kalisman, P., Amirav, L. Less Is More: The Case of Metal Cocatalysts. J. Phys. Chem. Lett. 6, 2265-2268 (2015).
  16. Lupo, M. G., et al. Ultrafast Electron-Hole Dynamics in Core/Shell CdSe/CdS Dot/Rod Nanocrystals. Nano Lett. 8, (12), 4582-4587 (2008).
  17. Raino, G., et al. Probing the Wave Function Delocalization in CdSe/CdS Dot-in-Rod Nanocrystals by Time- and Temperature-Resolved Spectroscopy. ACS Nano. 5, (5), 4031-4036 (2011).
  18. Talapin, D. V., Lee, J. S., Kovalenko, M. V., Shevchenko, E. V. Prospects of Colloidal Nanocrystals for Electronic and Optoelectronic Applications. Chem. Rev. 110, (1), 389-458 (2010).
  19. Kraus, R. M., et al. Room-Temperature Exciton Storage in Elongated Semiconductor Nanocrystals. Phys. Rev. Lett. 98, (1), 017401 (2007).
  20. She, C., Demortière, A., Shevchenko, E. V., Pelton, M. Using Shape to Control Photoluminescence from CdSe/CdS Core/Shell Nanorods. J. Phys. Chem. Lett. 2, (12), 1469-1475 (2011).
  21. Manthiram, K., Beberwyck, B. J., Talapin, D. V., Alivisatos, A. P. Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals. J. Vis. Exp. (82), (2013).
  22. Yu, W. W., Qu, L., Guo, W., Peng, X. Experimental Determination of the Extinction Coefficient of CdTe, CdSe, and CdS Nanocrystals. Chem. Mater. 15, (14), 2854-2860 (2003).
  23. Miao, M. S., Seshadri, R. Rh2O3 versus IrO2: relativistic effects and the stability of Ir4. J. Phys. Condens. Matter. 24, (21), 215503 (2012).
  24. Amirav, L., Alivisatos, A. P. Luminescence Studies of Individual Quantum Dot Photocatalysts. J. Am. Chem. Soc. 135, (35), 13049-13053 (2013).
  25. Vaneski, A., Schneider, J., Susha, A. S., Rogach, A. L. Aqueous synthesis of CdS and CdSe/CdS tetrapods for photocatalytic hydrogen generation. APL Materials. 2, (1), 012104 (2014).
Fotokemiske oxidative Vækst af Iridium Oxide Nanopartikler på CdSe @ CdS nanorods
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kalisman, P., Nakibli, Y., Amirav, L. Photochemical Oxidative Growth of Iridium Oxide Nanoparticles on CdSe@CdS Nanorods. J. Vis. Exp. (108), e53675, doi:10.3791/53675 (2016).More

Kalisman, P., Nakibli, Y., Amirav, L. Photochemical Oxidative Growth of Iridium Oxide Nanoparticles on CdSe@CdS Nanorods. J. Vis. Exp. (108), e53675, doi:10.3791/53675 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter