Login processing...

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

Chemistry

Photochimique oxydant croissance de l'oxyde d'iridium nanoparticules sur 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

Photocatalyse présente une solution intéressante et prometteuse pour la production d'énergie renouvelable et d'autres applications environnementales telles que le traitement de l'eau et la purification de l'air 1-3. décomposition de l'eau dans l'ensemble, entraîné par l'énergie solaire, pourrait être une source de carburant propre et renouvelable hydrogène; Toutefois, en dépit des décennies de recherche, les systèmes qui sont suffisamment stable et efficace pour une utilisation pratique n'a pas encore été réalisé.

Les deux photodeposition et photocatalyse à semi-conducteur à médiation reposent sur le même mécanisme de séparation de paires électrons-trous photo-générés et les conduire vers la surface où ils peuvent initier des réactions d'oxydo-réduction. Les similitudes entre ces deux processus font photodeposition un outil synthétique attrayant pour le domaine de la photocatalyse 4-6. Cette méthode est prévue pour la production de photocatalyseur de frontières nouvelles et inexplorées. Il pourrait potentiellement offrir un contrôle impeccable sur l'arrangement spatialdes différents composants dans un hétérostructures, et faire progresser la capacité de construire des systèmes de nanoparticules sophistiquées. En fin de compte la méthode va nous apporter un peu plus de la réalisation d'un photocatalyseur efficace pour la conversion directe solaire à carburant énergétique.

Nous avons étudié la croissance de IrO 2 en tant que co-catalyseur, comme il est connu pour être un catalyseur efficace pour l'oxydation de l'eau 7-11. Une structure accordable de point quantique (CdSe) noyé dans une tige (sulfure de cadmium) 12,13 a été utilisé comme notre substrat de photocatalyseur 14,15. Il est actuellement indéterminée quant à la voie oxydative se produit par une voie médiation ou par une attaque du trou direct. Ici, notre connaissance et notre contrôle sur les trous dans le photo-hétérostructure de semi-conducteurs peuvent être exploitées pour une étude mécanistique des réactions d'oxydation. Ceci est rendu possible par l'architecture du substrat, ce qui facilite la localisation des trous fermés 16,17 et la formation d'unedistinct site de réaction d'oxydation sur la tige. L'utilisation de matériaux à l'échelle nanométrique avec porteur de charge localisée peut être exploitée pour des études mécanistiques de réactions d'oxydoréduction par simple examen des produits. De cette manière photodeposition peut être utilisé comme une sonde unique de deux voies réactionnelles réduction et d'oxydation. Ceci est un exemple des nouvelles et passionnantes possibilités offertes par la combinaison de photodeposition et pointe synthèse colloïdale 18-20.

La quête de développer un photocatalyseur efficace pour décomposition de l'eau et de la conversion de l'énergie renouvelable est devenue un axe important au sein de la communauté des matériaux. Cela a stimulé l'intérêt dans le monde de la CDS, qui est connu pour être très actif pour la production d'hydrogène, mais il est entravé par l'instabilité photochimique. Notre travail ici traite le talon d'Achille de la matière. Iro 2 décorée CdSe @ CdS tiges démontrent la stabilité photochimique remarquable sous illumination prolongée dans le plus pureau.

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. Synthèse de Quantum Dots 21

  1. Préparation du TOP: Se Précurseur
    1. Combiner 58 mg de poudre de Se de 0,360 g de tri-n-octylphosphine (TOP) dans un flacon avec un septum.
    2. Sonication le TOP: mélange Se jusqu'à ce qu'il soit clair sans solides.
  2. Synthèse de CdSe
    1. Combiner 3,0 g d'oxyde de trioctylphosphine (TOPO), 280 mg de n-octadécylphosphonique acide (ODPA), et 60 mg CdO avec un 3 mm x 8 mm barre d'agitation cylindrique dans un flacon de 25 ml à 3 cols à fond rond équipé d'un thermocouple (inséré dans un adaptateur de verre sur mesure), d'un condenseur à reflux avec un raccord en T (cou centrale), et d'un septum en caoutchouc. Assemblez tous les joints verre-verre avec de la graisse à vide à haute température. Connecter le raccord en T à un tube de Schlenk à une extrémité qui peut être commuté entre un gaz inerte propre et vide, tout en reliant l'autre extrémité à un barboteur.
      Attention: CDO est très toxique et doit être pesé et introduit dans le ballon à fond rond à l'intérieur d'un env closironnement comme une boîte à gants.
    2. Placer l'appareil de ballon à fond rond dans un chauffe-ballon et purge avec un gaz inerte.
    3. Chauffer les matières solides dans le ballon à fond rond à 150 ° C, en prenant soin de commencer une fois en agitant vigoureusement les composés fonte (de l'ordre de 60 à 80 ° C). Afin d'éviter un dépassement de la température de consigne, de la chaleur à 100 ° C puis 150 ° C lorsque le taux de chauffage ralentit ou se stabilise.
    4. Dégazer le mélange sous vide (à 150 ° C) pendant au moins une heure tout en agitant. Assurez-vous que le joint en T est pas ouvert au barboteur ou l'huile se faire happer dans le ballon et la ligne de Schlenk. Lors du déplacement du gaz à vide faire attention à la transition lentement pour éviter plus de gros bouillons.
    5. Remplir le flacon avec un gaz inerte (et continuer à couler gaz sur l'échantillon) et augmenter la température à 350 ° C. La solution doit tourner clair qu'il se réchauffe, et un excès de solides sur la paroi du flacon peut être recueilli par tourbillonnant attention du ballon. Injecter 1,5 g de TOP dans le ballon à travers le septum. Laisser la température de la solution se stabiliser avant de continuer.
      Remarque: Essayez de minimiser la quantité d'air / eau injectée en gardant le TOP dans un flacon de cloisons sous atmosphère inerte, et à l'injecter le plus rapidement possible.
    6. Injecter la totalité du TOP: mélange Se (préparé dans la section 1.1) dans le ballon à travers le septum, en utilisant une aiguille de large pour injecter le TOP: Se aussi rapidement et uniformément que possible.
    7. Que la réaction se déroule pendant le temps désiré, et de retirer de l'enveloppe chauffante.
      1. Pour les très petites graines retirer du feu juste avant l'injection. Pour les grandes graines enlever le ballon de la chaleur immédiatement après l'injection TOP: Se ou après avoir attendu jusqu'à 3 min. Plus d'attendre le résultat dans les grandes graines.
    8. Laisser la réaction refroidir à environ 100 ° C et injecter environ 5 ml de toluène dégazé. Transférer la solution dans un flacon sous une atmosphère inerte pour le nettoyage.
      NonTE: Pour simplifier ce processus 10 ml de toluène peuvent être placés dans un flacon de 20 ml avec un septum sous flux constant de gaz inerte. Utiliser environ la moitié de ce toluène à injecter dans le mélange réfrigérant, puis transférer le mélange refroidi de nouveau dans cette fiole.
    9. Nettoyage de semences
      1. Mettre la solution dans un tube à centrifuger de 50 ml.
      2. Ajouter du methanol (environ 5 ml) pour précipiter les graines à partir du mélange de toluène.
      3. Centrifuger à 3400 g pendant 5 min.
      4. Décanter surnageant clair et re-dissoudre le culot dans du toluène (5-10 ml).
      5. Répétez les étapes 1.2.10.2 travers 1.2.10.4 au moins trois fois au total.
    10. Diluer une petite aliquote des graines dans du toluène afin de mesurer ultraviolet-visible absorbance (UV-Vis) entre 350-800 nm. Utiliser les pics pour déterminer la concentration et la taille des graines CdSe, comme décrit dans la littérature 22.

2. Synthèse de ensemencée Rods 21

  1. Préparation du TOP: S Précurseur
    1. Mélanger 1,2 g de S avec 15 g de TOP dans un flacon avec une barre d'agitation.
    2. Remuer jusqu'à ce que claire sans solides (généralement au moins 24 h).
    3. Mesurer 0,62 g de ce mélange dans un flacon avec un septum.
  2. Préparation du TOP: CdSe Précurseur
    1. Mesurer le volume approprié de graines CdSe de l'étape 1 (sur la base de pic UV-Vis) dans un flacon avec un septum.
      Remarque: Pour une concentration calculée de 5x10 -5 à 2,25 graines nm (les deux valeurs calculées à partir de la spectres UV-Vis 22), utiliser 300 pi de solution.
    2. Évaporer le toluène en utilisant une ligne de vide jusqu'à ce que les graines sont sèches. Ne pas laisser sous vide pendant plus de 5-10 min une fois sec, car cela peut dégrader la qualité des graines.
    3. Re-dissoudre la totalité des graines séchées dans 0,5 g de TOP.
  3. Synthèse de CdSe @ Cds
    1. Mélanger 60 mg d'acide propylphosphonique (PPA), 3,35 g TOPO, 1.080 g ODPA, et 230 mg CdO avec un 3 mm x 8 mm barre d'agitation cylindrique dans un flacon de 25 ml à 3 cols à fond rond équipé d'un thermocouple (inséré dans un adaptateur de verre sur mesure), un réfrigérant avec un (col central T-conjointe ), et d'un septum en caoutchouc. Assemblez tous les joints verre-verre avec de la graisse à vide à haute température. Connecter le raccord en T à un tube de Schlenk à une extrémité qui peut être commuté entre un gaz inerte propre et vide, tout en reliant l'autre extrémité à un barboteur.
      Attention: CDO est très toxique et doit être pesé et ajouté au fond rond à l'intérieur d'un environnement fermé, comme une boîte à gants. PPA est réglementée dans certains pays et peut être remplacé par de l'acide butylphosphonique (BPA, 72 mg) ou de l'acide hexylphosphonique (HPA, 80 mg), bien que le BPA et HPA se traduisent habituellement par des tiges plus courtes.
    2. Placer l'appareil de ballon à fond rond dans un chauffe-ballon et purge avec un gaz inerte.
    3. Chauffer les solides dans le ballon à 120 ° C, en veillant à commencer agitant énergiquement une fois que le compounds l'état fondu (environ 60 à 80 ° C). Afin d'éviter un dépassement de la température de consigne, de la chaleur à 90 ° C puis 120 ° C lorsque le taux de chauffage ralentit ou se stabilise.
    4. Dégazer le mélange sous vide (à 120 ° C) pendant au moins une demi-heure tout en agitant.
      1. Assurez-vous que le joint en T est pas ouvert au barboteur ou l'huile se faire happer dans le ballon et la ligne de Schlenk. Lors du déplacement du gaz à vide faire attention à la transition lentement pour éviter plus de gros bouillons. Utiliser un piège cryogénique à l'azote liquide (LN2) pour un meilleur vide.
    5. Remplir le flacon avec un gaz inerte (et continuer à couler gaz sur l'échantillon) et augmenter la température à 320 ° C. La solution doit tourner clair qu'il se réchauffe, et un excès de solides sur la paroi du flacon peut être recueilli par tourbillonnant attention du ballon.
    6. Refroidir vers le bas à 120 ° C et dégazage sous vide comme dans l'étape 1.2.4.
    7. Remplir et réchauffer le ballon comme à l'étape 1.2.5.
    8. Injecter 1,5 g de TOP dans le ballon à travers le septum. Laisser la température de la solution se stabiliser à 340 ° C avant de procéder.
      Remarque: Essayez de minimiser la quantité d'air / eau injectée en gardant le TOP dans un flacon de cloisons sous atmosphère inerte, et à l'injecter le plus rapidement possible.
    9. Injecter le TOP: mélange de S dans le ballon à travers le septum, en utilisant une aiguille de large pour injecter le TOP: S le plus rapidement et uniformément que possible. Démarrer une minuterie.
    10. Exactement 20 secondes après l'injection du TOP: S, injecter le TOP: mélange de CdSe dans le ballon à travers le septum, en utilisant une aiguille de large pour injecter le TOP: CdSe aussi rapidement et uniformément que possible.
      Remarque: La température devrait avoir chuté au-dessous de 330 ° C par ce point en raison de l'ajout de TOP solutions RT.
    11. Réglez la température à 320 ° C et laisser la réaction se déroule pendant le temps désiré (8-15 min), et de retirer de l'enveloppe chauffante.
    12. Soit la réaction refroidir loin de l'un manteau de chauffaged injecter environ 5 ml de toluène dégazé lorsque la température atteint environ 100 ° C. Transférer la solution dans un flacon sous une atmosphère inerte pour le nettoyage.
      Remarque: Pour simplifier ce processus 10 ml de toluène peuvent être placés dans un flacon de 20 ml avec un septum sous flux constant de gaz inerte. Utiliser environ la moitié de ce toluène à injecter dans le mélange réfrigérant, puis transférer le mélange refroidi de nouveau dans cette fiole.
    13. Nettoyage des tiges
      1. Mettre la solution dans un tube à centrifuger de 50 ml.
      2. Ajouter du methanol (environ 5 ml) pour précipiter les graines à partir du mélange de toluène.
      3. Centrifuger à 3400 g pendant 5 min.
      4. Décanter surnageant clair et re-dissoudre le culot dans environ 10 ml d'hexane.
      5. Ajouter 1-2 ml de chacun des n-octylamine et l'acide nonanoïque à la solution. La solution doit être transparente.
      6. Ajouter 5 ml de methanol et centrifuger pendant 5 min à 3400 x g.
      7. Répétez les étapes 2.3.13.4 travers 2.3.13.6 au moins deux fois plus.
      8. Re-dissoudre le culot dans 10 ml de toluène. Si la pastille ne se dissout pas facilement, plusieurs étapes de nettoyage sont susceptibles nécessaires, dans lequel la répétition de cas les étapes 2.3.13.4 travers 2.3.13.6.
      9. Ajouter environ 7 ml d'IPA, 1 ml à la fois, jusqu'à ce que la solution est légèrement trouble, même lorsqu'il est mélangé.
      10. Centrifugeuse pendant 30 min à 2200 xg pour séparer plus longues tiges de tout le reste.
      11. Re-dissoudre le culot dans 10-15 ml de toluène.
    14. Diluer une petite aliquote des graines dans du toluène afin de mesurer l'absorbance UV-Vis et / ou de photoluminescence (PL) des barres.
      Remarque: Au moins un volume de l'aliquote est acceptable tant que le facteur de dilution est connu, cependant, un facteur de dilution typique serait 20. Pour PL, l'absorption doit être égale ou inférieure à 0,1 à la longueur d'onde d'excitation choisie (utilisant typiquement 450 nm).

3. Transfert de ensemencées Rods à une solution aqueuse

  1. Preparation de solution de méthanol
    1. Verser environ 10 ml de methanol dans un tube de centrifugeuse.
    2. Ajouter environ 250 mg d'acide mercaptoundécanoïque (MUA) et 400 mg d'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH).
    3. Vortex ou laisser reposer jusqu'à ce que tous les solides totalement dissous.
  2. ligand change
    1. Ajouter du methanol (5-10 ml, soit suffisante pour précipiter les tiges) à ¼ à ½ de tiges de synthèse provenant de l'étape 2 dans un tube de centrifugeuse.
      Remarque: Le volume de tiges utilisées dépendra de la quantité de toluène utilisée pour dissoudre les barres de stockage. Si 10-15 ml sont utilisés comme suggéré dans l'étape 2.3.13.11, puis 3-6 ml de la solution de la tige doit être approprié.
    2. Centrifuger à 3400 g pendant 5 min.
    3. Décanter le surnageant clair.
    4. Ajouter l'ensemble de la solution de méthanol à partir de l'article 3.1 de la pastille.
    5. Vortex ou secouer la main pour dissoudre entièrement. Laisser la solution reposer au moins 1 heure pour permettre l'échange de ligand maximale de se produire.
      Note: La solution doit être laissé au repos pendant au moins 1 heure, même si elle semble se dissoudre immédiatement et complètement
    6. Séparer la solution en deux moitiés en deux tubes de centrifugation.
      Remarque: Enregistrez le tube de centrifugeuse utilisée pour l'étape 3.1 et transférer la moitié de la solution dans il.
    7. Ajouter 20 ml de toluène à chaque moitié. S'il y a une séparation de phases entre l'alcool et le toluène ajouter goutte à goutte jusqu'à ce que le méthanol se recombinent les phases.
    8. Centrifuger à 7700 g pendant 15 min.
    9. Très décanter soigneusement le surnageant clair de culot.
    10. Inverser le tube de centrifugation soigneusement afin de sécher l'échantillon.
    11. Ajouter 5 ml d'eau ultra pure au culot et conserver dans un flacon bien enveloppés dans une feuille Al (ou tout autre revêtement opaque).
      Note: Une fois déplacé de toluène à l'eau, les tiges ne sont pas photostable, ce qui explique pourquoi ils sont couverts. Même si elles sont conservées dans l'obscurité les tiges doivent être utilisées dès que possible, et il est déconseillé de tiges de magasins dans l'eau pendantplus d'un mois.

4. Croissance des Iridium particules nanocristallines

  1. Hydroxyde de sodium
    1. Dans un flacon en plastique peser NaOH 1,450 mg de. Dissoudre NaOH dans 20 ml d'eau ultra-pure. Solution doit être claire sans solides.
  2. Persulfate de Sodium
    1. Dans un flacon en plastique peser 950 NaS mg 2 O 8. Dissoudre NaS 2 O 8 dans 20 ml d'eau ultrapure. Solution doit être claire sans solides.
  3. Nitrate de sodium
    1. Dans un flacon en plastique: peser 300 mg NaNO 3. Dissoudre NaNO 3 dans 18 ml d'eau ultra-pure. Solution doit être claire sans solides.
  4. Solution Iridium Précurseur
    1. Dans un flacon en plastique peser 50 mg Na 3 IrCl 6. Dissoudre Na 3 IrCl 6 dans 5,0 ml d'eau ultra-pure. Solution doit être brun transparent (comme scotch) sans solides.
  5. Préparation d'échantillon
    1. Placer un agitateur spectroscopique dans une cuvette de polystyrène standard.
      Remarque: Comme la solution est très simple, le quartz et autres cuvettes de verre ne devraient pas être utilisés.
    2. Ajouter 0,20 ml iridium précurseur solution de l'étape 4.4.1.
    3. Ajouter 0,50 ml de solution de nitrate de l'étape 4.3.1.
    4. Ajouter 0,30 ml de tiges ensemencées dans l'eau de la section 3 (tracer le toluène de l'échange de ligand peut provoquer une opacification de la paroi de la cuve).
    5. Ajouter 0,50 ml de solution de persulfate de l'étape 4.2.1.
    6. Ajouter 0,50 ml d'une solution d'hydroxyde de sodium provenant de l'étape 4.1.1.
  6. Illumination de l'échantillon
    1. Placez la cuvette dans un support avec des capacités d'agitation.
    2. Illuminer de 450 nm de la lumière à 100 mW pour un maximum de 4 heures. La solution doit devenir vert et plus tard bleu.
  7. échantillon collecte
    1. Verser la solution (mais pas une barre d'agitation) dans un tube de centrifugeuse.
    2. Centrifuger à 7700 g pendant 10 min.
    3. Soinsdécanter complètement le surnageant du culot, qui devrait être de couleur verte ou bleue en fonction du temps de réaction choisie.
      Remarque: Le culot peut maintenant être collectées ou dispersé dans un solvant polaire par ultrasons pour une utilisation dans d'autres expériences.

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

Des micrographies électroniques à transmission (TEM) ont été prélevés afin de voir la répartition de l'oxyde d'iridium sur les tiges graines (figure 1). Des échantillons de TEM ont été préparées en pipettant une goutte de particules dissoutes sur une grille de TEM. Diffraction des rayons X (XRD, figure 2) et de photoélectrons X spectres (XPS, Figure 3) ont été utilisés pour caractériser la croissance observée comme un mélange de l'OIR cristallin 2 et Ir 2 O 3. Préparation des échantillons XRD et XPS a été effectuée par le séchage des particules sur des lames de verre. Échantillon suffisamment été utilisé de telle sorte qu'une couche épaisse développé (Figure 4). La durée d'illumination est révélée correspondre à la taille des particules (figure 5), qui peut être estimée visuellement. Comme les particules d'oxyde d'iridium poussent les transitions de couleurs (figure 4) du jaune-orange (la couleur des tiges nues) au vert (couverture moyenne de ~ 1 nm particles) au bleu (couverture totale de ~ 2 nm particules).

Figure 1
Figure 1. au microscope électronique de l'oxyde d'iridium Coated Rods. __gVirt_NP_NNS_NNPS<__ Tiges ensemencées couverts par l'oxyde d'iridium comme on le voit dans le TEM à faible grossissement (A) et un plus fort grossissement (B), ainsi que l'aide de l'imagerie en champ sombre haute annulaire d'angle (C) (adapté de la référence . [9] -. Reproduit avec l'autorisation de la royal Society of Chemistry) S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. X-ray Motifs de diffraction. Les diagrammes de XRD pour (A) nus CdSe @ CdS tiges ( 2 et Ir 2 O 3. Modèles indexés pour les CD (rouge) IrO 2 (vert) et Rh 2 O 3 (bleu) sont superposées sur les motifs de diffraction. Ir 2 O 3 a été apparié en utilisant le fichier de diffraction de poudre pour Rh 2 O 3, car il est trop instable en vrac pour caractériser, mais a été prédit en utilisant la modélisation théorique d'avoir une structure presque identique (adapté de la référence [9] -. Reproduit autorisation de la royal Society of Chemistry). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. photoélectronique aux rayons X du spectre. XPSa été utilisé pour soutenir la présence à la fois de IrO 2 et Ir 2 O 3. Les deux courbes sont à partir d'un spectre XPS typique, pour un échantillon de CdSe @ CdS après 2 h croissance photochimique de l'iridium, sur des plages d'énergies différentes. Signatures de Ir (III) (à environ 65 eV) et Ir (IV) (à environ 300 eV) ont été observées, comme indiqué dans les déconvolutions de pic spectral (adapté de la référence [9] -. Reproduit avec l'autorisation de la Société royale du chimie). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Aspect visuel de l'échantillon après des temps de croissance différents. Échantillons de poudre préparée pour XRD montrant des particules de (A, orange-rouge) tiges nues (B, vert) tiges AFTE séchér 2 h d'éclairage (C, bleu) tiges après 4 heures d'éclairage. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. Iridium Oxide croissance au cours du temps. Des micrographies TEM, montrant la croissance de particules d'oxyde d'iridium dans le temps. (A) de contrôle, maintenu dans l'obscurité. La commande ne présente pas de croissance d'oxyde d'iridium, et des tiges d'un diamètre de 4-5 nm, inchangé par rapport à avant l'expérience. (B - F) des échantillons éclairés avec de la lumière non filtrée de la lampe pour (B), 10 min, (C) 45 min, (D) 2 h, (E - F) 4 heures. Cette série montre l'évolution de petite taille (<0,5 nm) des particules d'oxyde d'iridium, de larger (0,5-2 nm) particules, à un revêtement complet de l'oxyde d'iridium. Les tiges qui ont été éclairées pendant 4 heures ont un diamètre total de 9-10 nm, ce qui indique une épaisse couche 2-3 nm d'oxyde d'iridium est présent (adapté de la référence [9] -. Reproduit avec l'autorisation de la Royal Society of Chemistry) . S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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

La synthèse de graines CdSe et CdSe @ CdS ensemencées tiges a été bien étudié 21,24,25. De légères modifications aux montants, les températures et les temps pour les étapes de la synthèse de ces particules de substrat peuvent être utilisés pour ajuster leur longueur, le diamètre, et / ou la morphologie. Le protocole de synthèse décrit ici donne ensemencées tiges très photoluminescents de dimensions uniformes.

La procédure d'échange de ligands permet l'utilisation de tiges ensemencées dans les milieux polaires, dans ce cas l'eau. À l'étape finale de l'échange de ligand, lorsque le culot est recueilli par dissolution (après précipitation du toluène) la pastille adhère souvent mal à la surface du tube de centrifugeuse. Il est très important de décanter et sécher très soigneusement cette pastille, sinon il y a un risque de contaminer ou de jeter le culot qui a été formé. Graines et les tiges dans le toluène et le méthanol sont faciles à précipiter et recueillir grâce à l'utilisation d'un non-solvent, cependant, une fois les tiges sont mis dans l'eau, ils sont très difficiles à collecter ou déplacer si elles sont solubles. Cette difficulté provient de la non-miscibilité de l'eau avec des non-solvants non polaires tels que le toluène et l'hexane.

Une fois que l'oxyde d'iridium a été cultivé à la surface des tiges ensemencées ils deviennent beaucoup plus difficiles à traiter car ils agrègent. Ce fait de travailler avec eux et de les analyser une entreprise difficile. Sonication dans du méthanol ou de l'eau produit une suspension qui peut être maintenu par agitation.

Les échantillons séchés ont été utilisés pour l'analyse XRD. Diagrammes de XRD prélevés après différents temps d'illumination ont montré un pic de plus en plus près de 2θ = 23 ° (figure 2), ce qui indique une croissance dépendante d'un matériau cristallin de temps. Les spectres de haute résolution prises pour les tiges et les tiges de nettoyage, après deux heures de croissance photochimique de l'oxyde d'iridium ont également été prises. Signal de l'échantillon de tige CdSe @ CdS montre un match avec le rythme attendu pour CdS [PDF # 00-006-0314], avec des pics attribués à la préférence pour les tiges propres à poser à plat sur le substrat manquant. Signal de CdSe @ CdS tiges après une croissance de l'oxyde d'iridium montrent les CdS pics caractéristiques, avec des pics supplémentaires, y compris celui vu dans la figure 2. Peaks dans le motif de diffraction des rayons X étaient très petites (voir la figure 2), et de longues analyses nécessaires (au moins 8 heures) en raison de la petite taille des cristallites. Quelques pics correspondent bien avec IrO 2 [PDF # 00-015-0870], tandis que d'autres correspondent bien avec Rh 2 O 3 [PDF # 01-076-0148] (qui a été théorisé pour avoir une structure presque identique à Ir 2 O 3 - le modèle pour Ir 2 O 3 est pas signalé dans la base de données JCPDS parce qu'il est relativement instable 23). Similaires aux données de XPS, ces données de diffraction des rayons X confirme la présence de IrO 2 et suggère la croissance d'iridium est un mélange de IrO 2 et Ir 2 O 3.

(par exemple, la formation de la phase métastable Ir 2 O 3), probablement en raison de l'interaction unique, au niveau atomique entre le dépôt et le substrat. En outre, les intermédiaires produites au cours des différentes réactions d'oxydoréduction pourraient avoir un effet intéressant sur la formation d'oxyde; apporter des co-dépôt photochimique pour produire des matériaux complexes exclusifs. Le procédé de synthèse décrit ici est la première fois oxydatif photodeposition a été réalisé auprès de la CDS. We anticiper que cette méthodologie de synthèse permettra finalement pour le développement de l'énergie solaire conduit photocatalyse stable et efficace de l'eau.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs ont rien à révéler.

Acknowledgments

Cette recherche a été financée par le Programme du Comité de planification et de la budgétisation et de la Fondation Sciences Israël (Grant n ° 152/11) I-CORE. Nous remercions la Faculté Schulich de chimie et du Technion - Israel Institute of Technology pour le paquet de laboratoire et le démarrage rénovée. Nous remercions également le Royal Society of Chemistry pour autorisation dans l'adaptation du matériel de http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K pour une utilisation dans ce manuscrit. Dr. Kalisman remercie le stage postdoctoral Schulich pour leur soutien. Nous remercions le Dr Yaron Kauffmann pour son aide avec HR-TEM et HAADF ainsi que le Dr Kamira Weinfeld pour son aide à la caractérisation XPS.

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).
Photochimique oxydant croissance de l&#39;oxyde d&#39;iridium nanoparticules sur 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