En kontinuerlig flow fotokatalytiske reaktor for netop kontrollerede aflejring af metallisk nanopartikler

Kompositter af ædle metaller med ledere eller halvledermaterialer har store anvendelser lige fra medicinsk teknologi til energiomdannelsessystemer, men deres konventionelle syntesemetoder er ikke egnede til kommerciel produktion. For eksempel, mikrobølgeovn reduktion er en kraftfuld teknik, men det kan kun behandle et par milliliter i hvert parti, mens kommerciel produktion af grafen / platin-baserede brændselsceller skulle behandle flere liter suspension på få minutter. For at løse dette problem har vi udviklet en fotokatalytisk depositionsreaktor, der er let at opskrænke og kan fungere kontinuerligt.

I vores fotodepositionssystem lyser små dele af reaktanterne i korte, justerbare perioder. Dette giver os mulighed for effektivt at styre nukleation og vækst processer, selv når opskalering af reaktoren. Til at begynde, dække den indvendige overflade af en 15-centimeter-by-55-centimeter polyvinylchlorid rør med tyk, poleret, selvklæbende-backed aluminiumsfolie.

Plads fem, 55-watt UV-C lamper jævnt rundt om indersiden af røret. Derefter wrap en 0,5-centimeter-by-55-centimeter kvarts rør med stykker af selvklæbende-backed aluminiumsfolie til at danne flere lige brede vinduer fordelt jævnt i midten af røret. Lad 2,5 centimeter af røret eksponeres i hver ende.

Monter kvartsrøret i midten af PVC-røret for at danne belysningskammeret, og tilslut uigennemsigtige plastrør til hver ende. Derefter montere røret lodret i en røghætte, og fastsætte en kraftig ventilator i den nederste ende til køling, Næste, oprette en magnetisk drevpumpe på en hævet platform med bunden af pumpen over toppen af en magnetisk røre plade. Klem en en-liters separatory tragt lige højere end pumpen.

Brug en T-fitting og uigennemsigtig plastrør til at forbinde separatory tragt udløb til toppen af kvartsrør og den magnetiske pumpe indløb. Derefter indsætte slangen fra bunden af kvarts rør og pumpen stikkontakten gennem septum af en en-liters flaske udstyret med en røre bar, således at enderne af slangen er to til tre centimeter over røre bar. Denne flaske vil være reservoiret.

Tilslut derefter en T-fitting til prøvetagnings- og evakueringsventilerne og en længde af uigennemsigtige plastslanger. Sæt slangen i beholderen, og tilslut prøvetagningsventilen til en sprøjtemontering. Endelig køre en gas udstødningsledning fra reservoiret til en vandbobler.

For at begynde syntesen, tilsættes to gram grafit og 100 milliliter 98% efter vægt svovlsyre til en 500-milliliter Erlenmeyer kolbe udstyret med en stor magnetisk røre bar. Cool blandingen til omkring nul grader Celsius i et isvandbad under omrøring. Derefter tilsættes et gram kaliumpermanganat i løbet af et minut under omrøring.

Lad blandingen fortsætte omrøring i yderligere fire minutter. Gentag denne proces fem gange mere for at tilføje i alt seks gram i løbet af 30 minutter. Når tilsætningen er færdig, skal du fjerne badet, og fortsætte omrøring blandingen i seks timer.

Derefter afkøles blandingen i et isvandbad under omrøring i 15 minutter. Der tilsættes 250 milliliter destilleret vand på samme måde til omrøringsblandingen. Fjern isvandbadet, og tilsæt 10 milliliter hydrogenperoxid dråbevis til omrøring blandingen.

Derefter tilsættes 20 milliliter hydrogenperoxid på én gang, og fortsætte omrøring ved stuetemperatur i 30 minutter. Centrifuge den resulterende suspension på 3, 500 g i 15 minutter, og kassér supernatant. Rør faste stoffer i en liter destilleret vand i 30 minutter, centrifugere dem igen, fjerne supernatant, og kontrollere dens pH.

Vask faste stofferne på denne måde, indtil supernatant-pH når fem. Derefter kombineres det vaskede bundfald med 500 milliliter en molar saltsyre, og rør i en time. Produktet vaskes, indtil supernatant-pH når fem.

Disperger de vaskede faste stoffer i en liter destilleret vand, og sonikere blandingen i tre timer ved omkring stuetemperatur. Den resulterende grafenoxidblanding centrerer i 15 til 20 minutter ved 3,500 g ved stuetemperatur tre gange, hvor bundfaldet kasseres hver gang. Overfør grafenoxid suspensionen til en tonet eller folie-indpakket glasflaske.

Dernæst vejer tre tørre krystallisering retter på en analytisk balance tre gange hver. Ryst grafenoxid suspension godt, og lad det nøjes med et minut. Hæld derefter præcis 100 milliliter af suspensionen i hver skål.

Opbevar opvasken i en ovn ved 70 til 80 grader Celsius, indtil deres indhold er helt tørt. Derefter vejes hver skål tre gange på samme analytiske balance, og beregne tørvægt af grafenoxid i hver skål. Suspensionens koncentration bestemmes ud fra gennemsnittet af disse værdier.

Derefter fortyndes suspensionen til 0,2 gram per liter, og langsomt tilføje det til et tilsvarende volumen af fire-molar natriumhydroxid. Refluks blandingen ved 90 grader Celsius i otte timer, og lad det køle af til stuetemperatur. Den delvist reducerede grafenoxid bundfald vaskes, indtil supernatanten når pH-7 til otte, og opbevar den derefter i en tonet eller folieindpakket flaske.

Forbered 540 milliliter af en 50-milligram-per-milliliter suspension af delvist reduceret grafenoxid i destilleret vand, og sonikere det i et isvandbad i en time ved 40% magt. Derefter tilsættes 60 milliliter analytisk ethanol, og sonikere blandingen i et isvandbad i endnu en time. Dernæst tilsættes 169 mikroliter på 8% efter vægt vandig hexachloroplatininsyre til grafen blandingen, og fortsætte omrøring ved stuetemperatur i 15 minutter.

Hæld derefter blandingen i separatory tragt af reaktoren og lad den. Åbn stophanen for at føre reaktanten ind i systemet, og luk den straks, når tragten er tom for at holde gasboblerne ude af slangen. Kør pumpen på 16 liter i minuttet, og flow kvælstof gas gennem reaktoren med en hastighed, der producerer en lind strøm af bobler.

Rør suspensionen på omkring 1,000 rpm i 30 minutter for at fjerne opløst ilt. Derefter reducere kvælstof flow, og tænde UV-lamper. Efter fem minutter øges nitrogenstrømmen, og en 20-milliliter Luer-Lok sprøjte forbindes med prøvelinjen.

Hold sprøjtestempren let for at forhindre, at det skubbes ud, og åbn prøvetagningsventilen. Opsaml 20 milliliter af suspensionen, luk prøvetagningsventilen, og afkol sprøjten. Åbn rørevakueringsventilen for at skylle slangen, og luk derefter ventilen og reducer nitrogengasstrømmen til det tidligere niveau.

Centrifuge prøven ved 10.000 g i 10 minutter og der udtages supernatanten til analyse af metalkationkoncentrationen. Faste stofferne vaskes to gange under omrøring i 20 milliliter portioner destilleret vand og centrifugering under samme betingelser. Derefter spredes faste stofferne i 50 milliliter destilleret vand ved skånsom sonikering i en time.

Opløs et milligram ascorbinsyre i spredningen, og rør blandingen ved 90 grader Celsius i en time. Opsaml og vask bundfaldet som tidligere beskrevet, og opbevar det vaskede bundfald for yderligere karakterisering. Røntgenfotoelektroskopi bekræftede, at platin og guld nanopartikler med succes blev deponeret på reduceret grafenoxid og titandioxid.

Deconvolution af høj opløsning platin 4f og guld 4f toppe viste ingen ikke-metalliske komponenter, hvilket indikerer, at platin fire og guld tre kationer var blevet reduceret til platin nul og guld nul, henholdsvis. Belysningsdosis pr. eksponering, eller IDE, blev optimeret til hver komposit for at opnå en relativt ensartet fordeling af små ædle metal nanopartikler over substraterne. Når IDE var for høj, udtynding omkring voksende partikler disfavored dannelsen af kerner i nærheden, hvilket resulterer i store partikler og bred størrelse distributioner.

IDE’en blev justeret ved at ændre antallet af UV-lamper og reaktorens eksponeringsområde. Når IDE var for lav, fotodeposition mislykkedes, på grund af utilstrækkelig fotoexcited elektroner til stabil kerne dannelse, som det ses her. Udvidelse af vinduerne til to centimeter produceret den ønskede fotodeposition adfærd for platin / graphene komposit.

Udsætter hele reaktorrøret øget fotodeposition sats uden væsentligt at kompromittere partikelstørrelse og monodispersitet. Aflejringsprocessen styres ved at afbilde koncentrationstidskurver under forskellige forhold for at identificere det optimale reaktordesign og IDE. Udførelse af fotodeposition i det lineære koncentrationstidsområde giver mulighed for kontinuerlig indsamling af produktet efter et kendt cirkulationstidsløb.

Selv om vi demonstrerer syntesen af platin / grafen kompositter, denne metode og reaktor kan bruges til aflejring af andre ædle metaller på forskellige halvledere også. Denne kontinuerlige reaktor kan også anvendes til andre kemiske syntesemetoder, hvor reaktionerne indledes med lys.