पर सीडीएसई @ सीडीएस Nanorods इरिडियम आक्साइड नैनोकणों के प्रकाश रासायनिक ऑक्सीडेटिव विकास
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
Photocatalysis अक्षय ऊर्जा उत्पादन और इस तरह जल उपचार और वायु शोधन 1-3 के रूप में अन्य पर्यावरण अनुप्रयोगों के लिए एक आकर्षक और होनहार समाधान प्रस्तुत करता है। कुल मिलाकर पानी के बंटवारे, सौर ऊर्जा द्वारा संचालित है, स्वच्छ और अक्षय हाइड्रोजन ईंधन का एक स्रोत हो सकता है; हालांकि, अनुसंधान के दशकों के बावजूद, प्रणाली है कि व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त रूप से स्थिर और कुशल हैं अभी तक महसूस नहीं की है।
दोनों photodeposition और अर्धचालक की मध्यस्थता photocatalysis तस्वीर जनित इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े को अलग करने और उन्हें सतह जहां वे redox प्रतिक्रियाओं आरंभ कर सकते हैं करने के लिए ड्राइविंग की ही व्यवस्था पर भरोसा करते हैं। इन दोनों प्रक्रियाओं के बीच समानता photodeposition photocatalysis 4-6 के क्षेत्र के लिए एक आकर्षक कृत्रिम उपकरण बनाते हैं। इस विधि से नए और बेरोज़गार सीमाओं को photocatalyst उत्पादन लेने की उम्मीद है। यह संभवतः स्थानिक व्यवस्था खत्म प्राचीन नियंत्रण पेशकश हो सकती हैएक heterostructures में विभिन्न घटकों, और परिष्कृत nanoparticle सिस्टम का निर्माण करने की क्षमता अग्रिम। अंत में विधि हमें एक कदम प्रत्यक्ष सौर करने वाली ईंधन ऊर्जा रूपांतरण के लिए एक कुशल photocatalyst को साकार करने के लिए करीब लाएगा।
हम एक सह-उत्प्रेरक के रूप में Iro 2 के विकास की जांच के रूप में यह पानी ऑक्सीकरण 7-11 के लिए एक कुशल उत्प्रेरक हो जाता है। क्वांटम डॉट (सीडीएसई) एक रॉड (कैडमियम सल्फाइड) में 12,13 एम्बेडेड की एक tunable संरचना हमारे photocatalyst सब्सट्रेट 14,15 के रूप में इस्तेमाल किया गया था। यह वर्तमान में अनिर्धारित ऑक्सीडेटिव मार्ग एक मध्यस्थता मार्ग के माध्यम से होता है, या एक सीधा छेद हमले कर रहा है। इधर, हमारे ज्ञान और अर्धचालक heterostructure में photogenerated छेद पर नियंत्रण ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं की एक यंत्रवत अध्ययन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इस सब्सट्रेट वास्तुकला, जो सीमित छेद 16,17 और एक के गठन के स्थानीयकरण की सुविधा के द्वारा ही संभव बनाया हैछड़ी पर अलग ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया साइट। स्थानीय प्रभारी वाहक के साथ nanoscale सामग्री के उपयोग के उत्पादों के सरल परीक्षा द्वारा redox प्रतिक्रियाओं का यंत्रवत अध्ययन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता। इस तरह से photodeposition में दोनों में कमी और ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया रास्ते में से एक अनूठा जांच के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। इस photodeposition और बढ़त कोलाइडयन संश्लेषण 18-20 काटने के संयोजन के द्वारा सकती नया और रोमांचक संभावनाओं का एक उदाहरण है।
पानी बंटवारे और अक्षय ऊर्जा के रूपांतरण के लिए एक कुशल photocatalyst विकसित करने के लिए क्वेस्ट सामग्री समुदाय के भीतर एक महत्वपूर्ण जोर बन गया है। इस सीडी में दुनिया भर में ब्याज है, जो हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए अत्यधिक सक्रिय हो जाता है को प्रेरित किया है, हालांकि यह प्रकाश रासायनिक अस्थिरता आड़े आती है। हमारे यहाँ काम सामग्री की दुखती एड़ी मानते हैं। Iro 2 सजाया सीडीएसई @ सीडीएस की छड़ शुद्ध में लंबे समय तक रोशनी के तहत उल्लेखनीय प्रकाश रासायनिक स्थिरता का प्रदर्शनपानी।
Protocol
Representative Results
Discussion
सीडीएसई बीज और सीडीएसई @ सीडीएस वरीयता प्राप्त छड़ के संश्लेषण में अच्छी तरह से 21,24,25 अध्ययन किया गया है। मात्रा, तापमान, और इन कणों सब्सट्रेट के संश्लेषण के कदम के लिए समय के लिए मामूली संशोधनों के धु…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस शोध योजना और बजट समिति और इसराइल विज्ञान फाउंडेशन (अनुदान संख्या 152/11) की मैं मुख्य कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया। पुनर्निर्मित प्रयोगशाला और स्टार्टअप पैकेज के लिए प्रौद्योगिकी के इसराइल संस्थान – हम रसायन विज्ञान संकाय Schulich और प्रणालियों धन्यवाद। हम भी इस पांडुलिपि में इस्तेमाल के लिए http://dx.doi.org/10.1039/C4TA06164K से सामग्री अनुकूल ढालने में अनुमति के लिए रसायन विज्ञान की रॉयल सोसायटी धन्यवाद। डॉ Kalisman धन्यवाद उनके समर्थन के लिए Schulich postdoctoral फैलोशिप। हम एक्सपीएस लक्षण वर्णन के साथ उसकी सहायता के लिए मानव संसाधन मंदिर और HAADF के साथ ही डॉ Kamira Weinfeld के साथ उसकी सहायता के लिए डॉ Yaron Kauffmann धन्यवाद।
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).
