Fotokemiske oxidative Vækst af Iridium Oxide Nanopartikler på CdSe @ CdS nanorods
Summary
A protocol for the photochemical oxidative growth of small crystalline iridium oxide nanoparticles on the surface of CdSe@CdS seeded rod nanoparticles is presented.
Abstract
We demonstrate a procedure for the photochemical oxidative growth of iridium oxide catalysts on the surface of seeded cadmium selenide-cadmium sulfide (CdSe@CdS) nanorod photocatalysts. Seeded rods are grown using a colloidal hot-injection method and then moved to an aqueous medium by ligand exchange. CdSe@CdS nanorods, an iridium precursor and other salts are mixed and illuminated. The deposition process is initiated by absorption of photons by the semiconductor particle, which results with formation of charge carriers that are used to promote redox reactions. To insure photochemical oxidative growth we used an electron scavenger. The photogenerated holes oxidize the iridium precursor, apparently in a mediated oxidative pathway. This results in the growth of high quality crystalline iridium oxide particles, ranging from 0.5 nm to about 3 nm, along the surface of the rod. Iridium oxide grown on CdSe@CdS heterostructures was studied by a variety of characterization methods, in order to evaluate its characteristics and quality. We explored means for control over particle size, crystallinity, deposition location on the CdS rod, and composition. Illumination time and excitation wavelength were found to be key parameters for such control. The influence of different growth conditions and the characterization of these heterostructures are described alongside a detailed description of their synthesis. Of significance is the fact that the addition of iridium oxide afforded the rods astounding photochemical stability under prolonged illumination in pure water (alleviating the requirement for hole scavengers).
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 455nm LED | Thorlabs | M455L3 | |
| Cuvette Holder | Thorlabs | CVH100 | |
| 25mL 3-neck Round Bottom Flask | Chemglass | CG-1524-A-02 | |
| Liebig Condensor | Chemglass | CG-1218-A-20 | |
| T-Joint Adapter | Chemglass | AF-0509-10 |
References
- Maeda, K., et al. Photocatalyst releasing hydrogen from water. Nature. 440 (7082), 295-295 (2006).
- 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).
- Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W., Bahnemann, D. W. Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis. Chem. Rev. 95 (1), 69-96 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kalisman, P., Kauffmann, Y., Amirav, L. Photochemical oxidation on nanorod photocatalysts. J. Mater. Chem. 3 (7), 3261-3265 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Amirav, L., Alivisatos, A. P. Photocatalytic Hydrogen Production with Tunable Nanorod Heterostructures. J. Phys. Chem. Lett. 1 (7), 1051-1054 (2010).
- Nakibli, Y., Kalisman, P., Amirav, L. Less Is More: The Case of Metal Cocatalysts. J. Phys. Chem. Lett. 6, 2265-2268 (2015).
- Lupo, M. G., et al. Ultrafast Electron-Hole Dynamics in Core/Shell CdSe/CdS Dot/Rod Nanocrystals. Nano Lett. 8 (12), 4582-4587 (2008).
- 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).
- 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).
- Kraus, R. M., et al. Room-Temperature Exciton Storage in Elongated Semiconductor Nanocrystals. Phys. Rev. Lett. 98 (1), 017401 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- Miao, M. S., Seshadri, R. Rh2O3 versus IrO2: relativistic effects and the stability of Ir4. J. Phys. Condens. Matter. 24 (21), 215503 (2012).
- Amirav, L., Alivisatos, A. P. Luminescence Studies of Individual Quantum Dot Photocatalysts. J. Am. Chem. Soc. 135 (35), 13049-13053 (2013).
- 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).
