home Технология производства Производственное оборудование
Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Простой метод загрузки наночастиц CeO2 на массивы анодных нанотрубок TiO2

Аннотация

В этой статье был предложен простой метод загрузки CeO 2 наночастицы (НЧ) на анодном TiO 2 массивы нанотрубок (НТ), что приводит к образованию CeO 2 / TiO 2 гетеропереходы. Высокоупорядоченная фаза анатаза TiO 2 Массивы NT были изготовлены методом анодного окисления, затем эти отдельные TiO 2 НТ использовались как крошечные «наноконтейнеры» для загрузки небольшого количества Ce (NO 3 ) 3 решения. Загруженный анодный TiO 2 НТ были запечены и нагреты до высокой температуры 450 ° C, при которой Ce (NO 3 ) 3 будет термически разложиться внутри этих наноконтейнеров. После термического разложения Ce (NO 3 ) 3 , кубический кристалл CeO 2 Получены НЧ и успешно загружены в анодный TiO 2 . NT-массивы. Подготовленный главный исполнительный директор 2 / TiO 2 Структуры гетеропереходов были охарактеризованы различными аналитическими технологиями, включая XRD, SEM и спектры комбинационного рассеяния. Это исследование обеспечивает простой подход к подготовке генерального директора 2 / TiO 2 фильмы, которые могут быть очень полезны в областях, связанных с окружающей средой и энергетикой.

Фон

Как известно, диоксид титана (TiO 2 ) материалы широко используются в большом количестве приложений, таких как солнечные батареи, материалы для очистки воды, катализаторы и так далее [1,2,3,4,5,6]. Причина TiO 2 и TiO 2 -производные материалы имеют так много применений, что они обладают выдающимися фотокаталитическими, электрическими, механическими и термическими свойствами [7,8,9]. В природе TiO 2 имеет три наиболее часто встречающихся кристаллических полиморфа, включая анатаз, рутил и брукит. Среди трех TiO 2 полиморфы, анатаз является наиболее фотоактивным полиморфом, используемым для разложения органических загрязнителей или электродов в энергетических приложениях [10, 11]. Анатаз TiO 2 имеют ширину запрещенной зоны ~ 3,2 эВ и показали хорошую каталитическую активность, коррозионную стойкость и светостойкость. Наряду с его стабильной производительностью, низкой стоимостью, нетоксичным, безвредным, TiO 2 в фазе анатаза был признан лучшим фотокатализатором.

Недавно TiO 2 Массивы нанотрубок (НТ) привлекли большое внимание из-за их уникальных преимуществ, связанных с трубчатой ​​структурой [12,13,14,15,16,17,18]. Однако их характеристики все еще были ограничены внутренними дефектами материала, такими как относительно широкие зазоры (~ 3,2 эВ) [19,20,21,22]. Чтобы добиться лучшего применения, были предложены узкополосные полупроводники с надлежащим уровнем энергии для дальнейшей модификации TiO 2 Массивы NT [23, 24]. Ширина запрещенной зоны кубического CeO 2 составляет около 2,92 эВ и обладает хорошей химической стабильностью. TiO 2 изменено генеральным директором 2 оказались очень полезными в области фотокатализа, газовых сенсоров и так далее [25,26,27]. В области фотокатализа быстрая рекомбинация фотогенерированных электронно-дырочных пар снижает фотокаталитические характеристики TiO 2 . Однако модификация CeO 2 изменяет скорость рекомбинации электронно-дырочных пар внутри CeO 2 / TiO 2 композитный материал. Как показано на рис. 1а, когда CeO 2 / TiO 2 образуются гетеропереходы, может образовываться больше супероксидных и гидроксильных радикалов, что приводит к улучшенным фотокаталитическим характеристикам. В области газовых датчиков CeO 2 является перспективным материалом для измерения газообразного кислорода при высоких температурах. TiO 2 изменено генеральным директором 2 может эффективно улучшить адаптируемость газового датчика, поскольку CeO 2 / TiO 2 гетероструктуры позволяют определять газообразный кислород при низких рабочих температурах (<500 ° C) [28]. Для подготовки CeO 2 / TiO 2 Для гетероструктур было предложено множество подходов, включая золь-гель метод и гидротермальный метод [29,30,31]. Первые работы были признаны очень интересными, и их изделия показали хорошие результаты. Однако для приготовления CeO 2 всегда используются традиционные методы. / TiO 2 гетероструктуры в виде порошка и часто со сложными процедурами. Для подготовки CeO 2 / TiO 2 гетероструктуры на основе TiO 2 НТ, показанные на рис. 1b, разрабатывают простой метод загрузки CeO 2 наночастицы (НЧ) на TiO 2 Массивы NT очень желательны. С этой целью мы предложили новый метод получения CeO 2 / TiO 2 гетеропереходы в этом исследовании.

а Уровни энергии TiO 2 НЦ и главный исполнительный директор 2 НЧ с переносом и разделением электронно-дырочных пар. б Схема иллюстрации CeO 2 НП и TiO 2 Гетеропереход NT

Высокоупорядоченная фаза анатаза TiO 2 Массивы NT были изготовлены методом анодного окисления, затем отдельные TiO 2 НТ были приготовлены в виде крошечных «наноконтейнеров» для загрузки Ce (NO 3 ) 3 решения. Загруженный анодный TiO 2 НТ нагревали до высокой температуры, при которой Ce (NO 3 ) 3 термически разложились. После термического разложения Ce (NO 3 ) 3 , кубический кристалл CeO 2 Получены НЧ и успешно загружены в анодный TiO 2 . NT-массивы. Генеральный директор 2 / TiO 2 Полученные этим методом гетеропереходы были признаны простыми в эксплуатации, дешевыми, нетоксичными и безвредными.

Экспериментальный раздел

Синтез TiO 2 Массивы нанотрубок

Во-первых, мы использовали метод анодного окисления для получения TiO 2 массивы нанотрубок [32,33,34]. Вкратце, титановые кусочки разрезали на мелкие кусочки (5 см × 1,5 см) и сплющивали. После промывки в воде с моющим средством титановые детали промывали в ультразвуковом очистителе в течение 1 ч деионизированной водой и спиртом соответственно. Высушенные титановые листы с противоэлектродом погружали в подготовленный электролит (500 мл гликоля, 10 мл H 2 O и 1,66 г NH 4 F) при комнатной температуре. На оба электрода подавали постоянное напряжение 60 В в течение 2 часов. Затем TiO 2 Пленки NT отжигали при 450 ° C в течение 3 ч, скорость анатаза TiO 2 Были получены НТ.

Синтез генерального директора 2 / TiO 2 Гетеропереход

Индивидуальный TiO 2 НТ внутри анодных пленок были взяты как тысячи небольших наноконтейнеров для загрузки сырья CeO 2 , который будет заполнен растворами, содержащимися в Ce. Как показано на рис. 2, TiO 2 НТ были погружены в Ce (NO 3 ) 3 раствора (концентрации 0,05, 0,1, 0,2, 0,5 и 1 моль / л соответственно) в течение 3 с. Чтобы обеспечить открытое отверстие трубки TiO 2 НЦ, стоит обратить внимание, что лишний раствор на поверхности TiO 2 Пленки NT следует сразу же впитать, используя качественную фильтровальную бумагу. Пленки были максимально наклонены, чтобы раствор стекал к краю пленок, а фильтровальная бумага использовалась для сушки лишнего раствора для обеспечения однородности раствора. Затем загруженные пленки сушили при 70 ° C в течение 1 ч, в течение которого Ce (NO 3 ) 3 растворенное вещество будет откладываться внутри TiO 2 Наноконтейнеры NT. Затем высушенные пленки подвергали отжигу при 450 ° C в течение 2 часов, в течение которых осажденный Ce (NO 3 ) 3 термически разложится на CeO 2 НЧ при высокой температуре. Наконец, главный исполнительный директор 2 НЧ были получены и прикреплены к каждому одиночному TiO 2 . NT массивов.

Поток синтеза CeO 2 / TiO 2 гетеропереход:(а) получение пустого TiO 2 НТ, (б) загрузка TiO 2 НЦ с Ce (NO 3 ) 3 раствор, и (c) образование CeO 2 / TiO 2 структуры гетероперехода

Характеристика

Кристаллическая структура CeO 2 / TiO 2 гетеропереход анализировали с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD; D / max рентгеновский дифрактометр серии 2400 X). XRD применяли для характеристики образцов с шагом 0,03 ° в диапазоне от 10 ° до 80 °. Микроструктуру гетеропереходов и морфологию нанотрубок охарактеризовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM; JSM-7000F, JEOL Inc., Япония). Элементное распределение микроскопической области материалов было качественно и количественно проанализировано с помощью энергодисперсионной спектрометрии (EDS). Кристаллическая структура CeO 2 / TiO 2 гетеропереход был также проанализирован с помощью спектров комбинационного рассеяния (inVia, Renishaw, UK). Спектры резонансного комбинационного рассеяния света были записаны при комнатной температуре, чтобы получить более четкое отображение компонентов.

Результаты и обсуждение

Кристаллические свойства подготовленного CeO 2 / TiO 2 Пленки с гетеропереходом

Рентгенограммы приготовленного CeO 2 / TiO 2 Пленки гетероперехода показаны на рис. 3. Дифракционный пик можно идентифицировать как фазу анатаза TiO 2 . и кубическая фаза CeO 2 . Дифракционные пики, расположенные при 25,28 °, 36,80 °, 37,80 °, 48,05 °, 53,89 °, 55,06 °, 62,68 °, 70,30 °, 75,03 ° и 76,02 °, были отнесены к плоскости решетки анатаза (101), (103), (004), (200), (105), (211), (204), (220), (215) и (301) соответственно. Более того, небольшие дифракционные пики при 40,1 ° и 53,0 ° были приписаны (101) и (102) Ti (см. Рис. 3а). Это указывает на анодный TiO 2 Пленки NT в данном исследовании имеют кристаллическую структуру анатаза. В процессе кристаллизации зерна анатаза обычно имеют меньший размер и большую удельную поверхность. Следовательно, анатаз TiO 2 поверхность имеет сильную адсорбционную способность H 2 О, О 2 , и OH - и его фотокаталитическая активность очень высока [35, 36]. Адсорбционная способность анатаза TiO 2 Пленки NT в огромной степени подвержены фотокаталитической реакции, и высокая адсорбционная способность способствует их активности. Между тем, дифракционный пик, расположенный при 28,55 ° и 33,08 °, был привязан к поверхности кристалла (111) и (200) CeO 2 . соответственно [37, 38]. На рисунке 3b показаны дифрактограммы CeO 2 . / TiO 2 пленки гетероперехода с различным исходным Ce (NO 3 ) 3 концентрация. Когда концентрация Ce (NO 3 ) 3 был слишком низким, только дифракционные пики анатаза TiO 2 можно было наблюдать. При концентрации Ce (NO 3 ) 3 постепенно увеличиваясь, появлялась кубическая фаза оксида церия и дифракционные пики кубического CeO 2 стал сильнее. Согласно проверенным данным XRD, стандартный PDF показал CeO 2 имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру. Расчетные параметры решетки были a = b = c =0,5411 нм и α = β = γ =90 °, что соответствует стандартному PDF. Можно резюмировать, что TiO 2 был изменен генеральным директором 2 идеально согласованы по решетке, так что их гетеропереходы плотнее и лучше для создания специального процесса переноса электронов, который может облегчить разделение пар электрон / дырка.

а Рентгенограмма анатазной фазы TiO 2 и кубический CeO 2 . б Рентгенограмма анатазной фазы TiO 2 и кубический CeO 2 с разными концентрациями Ce (NO 3 ) 3

Микроскопическая морфология CeO 2 / TiO 2 Пленки с гетеропереходом

На рис. 4 показаны СЭМ-изображения анатаза TiO 2 . массивы нанотрубок до и после модификации CeO 2 . Верхний профиль TiO 2 Массивы NT без загрузки CeO 2 показан на рис. 4a, и самоорганизованные массивы NT оказались довольно плотными и имели морфологию верхней части открытого рта, которая обеспечивает проход для Ce (NO 3 ) 3 раствор, заполняющий НТ в данном исследовании. Средний диаметр трубки оценивается примерно в 110 нм. На рисунке 4b показана микроструктура анодного TiO 2 . НТ, измененные генеральным директором 2 НП. Можно увидеть, что на устье пор трубок имеется много длинных полосок по сравнению с чистым TiO 2 . НЦ. Между тем, при внимательном рассмотрении можно было обнаружить, что толщина стенки трубы увеличивается. Эти наблюдения показывают, что морфология анодного TiO 2 Массивы NT после загрузки и отжига претерпевают очевидные изменения. Кроме того, по изображениям, полученным с помощью SEM, большинство CeO 2 НЧ были нанесены на верхнюю часть TiO 2 НЦ, потому что при лишнем Ce (NO 3 ) 3 раствор был обработан, лишний раствор на верхней части пробирок не был удален полностью, и после термического разложения CeO 2 НЧ наносились на верхнюю часть трубок. Морфологии CeO 2 / TiO 2 пленки гетероперехода с Ce (NO 3 ) 3 Концентрация раствора от 0,05 до 0,5 моль показана на рис. 5. Хорошо видно, что с Ce (NO 3 ) 3 концентрация раствора увеличивается, наночастицы в TiO 2 Постепенно НТ становились более многочисленными, и на TiO 2 появлялись более удлиненные частицы. НЦ. Эти результаты показывают, что CeO 2 наночастицы успешно прикрепляются к стенке трубки из анодного TiO 2 Массивы NT, образующие CeO 2 / TiO 2 структура гетероперехода. Большая удельная поверхность TiO 2 НТ являются хорошей подложкой для CeO 2 НЧ для загрузки на анодный TiO 2 Фильмы NT.

Типичные SEM-изображения a чистый TiO 2 массивы нанотрубок без модификации и b Генеральный директор 2 / TiO 2 гетеропереход, указывающий на высокоупорядоченную структуру с морфологией открытого рта трубки, и после модификации CeO 2 был успешно загружен в TiO 2 массивы нанотрубок

СЭМ изображения CeO 2 / TiO 2 гетеропереходы с разными Ce (NO 3 ) 3 концентрация раствора: а образец, погруженный в 0,05 моль / л Ce (NO 3 ) 3 ; б образец, погруженный в 0,1 моль / л Ce (NO 3 ) 3 ; c образец, погруженный в 0,2 моль / л Ce (NO 3 ) 3 ; и d образец, погруженный в 0,5 моль / л Ce (NO 3 ) 3

Анализ компонентов главного исполнительного директора 2 / TiO 2 Пленки с гетеропереходом

Для согласования с результатами испытаний SEM была использована энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) для анализа элементного состава CeO 2 / TiO 2 гетеропереходные пленки. Диаграмма сравнения EDS между TiO 2 НЦ и главный исполнительный директор 2 / TiO 2 Гетеропереход показан на рис. 6. Как показано на рис. 6а, можно было обнаружить только Ti и O. Атомное содержание элементов Ti и O составляет 27,37 и 65,36% соответственно. Образец CeO 2 / TiO 2 пленка гетероперехода, приготовленная в 0,1 моль / л Ce (NO 3 ) 3 Решение показано на рис. 6б. Могли быть обнаружены Ce, O и Ti. Атомное содержание элементов Ce, Ti и O составляет 11,91, 12,04 и 59,98% соответственно. Из результатов EDS можно сделать вывод, что CeO 2 НЧ успешно нанесены на TiO 2 НЦ.

Результаты EDS a чистый TiO 2 НЦ и б Генеральный директор 2 / TiO 2 гетеропереход, показывающий существование элементов Ti, Ce и O после загрузки Ce (NO 3 ) 3 . Результаты подтверждают успешную загрузку CeO 2 на TiO 2 НТА

Для дальнейшего исследования полученных пленок с помощью рамановской спектроскопии проанализированы свойства CeO 2 -загруженный TiO 2 фильм. На рисунке 7 показаны два типичных рамановских спектра чистого анодного TiO 2 . фильм и главный исполнительный директор 2 / TiO 2 пленка гетероперехода, приготовленная в 1 моль / л Ce (NO 3 ) 3 решение. Пики расположены на отметках 400, 530 и 645 см −1 можно было четко наблюдать, что можно отнести к анатазу TiO 2 фаза. Наряду с этими характерными пиками анатаза TiO 2 , есть новый пик примерно на 460 см −1 что можно было наблюдать для CeO 2 / TiO 2 фильмы. Согласно рамановскому режиму этот пик может быть отнесен к кубической фазе CeO 2 [39]. Результаты спектров комбинационного рассеяния также подтверждают, что CeO 2 / TiO 2 гетеропереход был успешно подготовлен.

Рамановские спектры чистого TiO 2 НЦ и главный исполнительный директор 2 / TiO 2 гетеропереход, указывающий на CeO 2 НП были успешно загружены в TiO 2 НТА

Механизм генерального директора 2 / TiO 2 Формирование гетероперехода

Согласно опубликованным исследованиям, наиболее часто используемый метод получения CeO 2 / TiO 2 гетеропереход - золь-гель метод или вторичный окислительно-восстановительный метод [40]. Для получения CeO 2 / TiO 2 гетеропереход в очень простой процедуре с низкой стоимостью, в этой статье приготовление CeO 2 / TiO 2 гетеропереход достигается за счет заполнения TiO 2 Наноконтейнер NT с Ce (NO 3 ) 3 раствор и затем термическое разложение Ce (NO 3 ) 3 . Высокая температура разрывает химические связи Ce (NO 3 ) 3 молекулы, и разложившиеся атомы Ce, O и N затем преобразуются в CeO 2 НП и NO / O 2 . Этот процесс схематически показан на рис. 8. Во-первых, Ce (NO 3 ) 3 водный раствор с различной концентрацией заливали в TiO 2 Наноконтейнер NT. Затем пленку обжигали при 70 ° C в течение 1 ч, в течение которого Ce (NO 3 ) 3 будет осаждаться из воды в виде Ce (NO 3 ) 3 · 6H 2 O и, наконец, измените на Ce (NO 3 ) 3 загружены внутрь этих TiO 2 Наноконтейнер NT. Тогда Ce (NO 3 ) 3 -загруженный TiO 2 Пленки НТ отжигались при высокой температуре 450 ° C в течение 2 ч. В условиях высоких температур химические связи в Ce (NO 3 ) 3 молекула будет разрушена и рекомбинирована, что приведет к образованию CeO 2 НЧ внутри TiO 2 НЦ. Две вовлеченные химические реакции выражаются следующим уравнением. (1) и (2):

$$ \ mathrm {Ce} {\ left ({\ mathrm {NO}} _ 3 \ right)} _ 3 \ bullet 6 {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to \ mathrm {Ce} {\ left ({\ mathrm {NO}} _ 3 \ right)} _ 3 $$ (1) $$ \ mathrm {Ce} {\ left ({\ mathrm {NO}} _ 3 \ right)} _ 3 \ to {\ mathrm {CeO }} _ 2 \ kern0.5em + \ mathrm {NO} \ uparrow \ kern0.5em + {\ mathrm {O}} _ 2 \ uparrow $$ (2)

Принципиальная схема синтеза CeO 2 / TiO 2 гетеропереходы и сложные химические уравнения

Короче говоря, мы показали простой метод с использованием TiO 2 Наноконтейнер NT для загрузки Ce (NO 3 ) 3 подготовить CeO 2 / TiO 2 гетеропереходные пленки. Ce (NO 3 ) 3 термическое разложение внутри каждого индивидуального анодного TiO 2 НТ обеспечивает хорошее формирование и распределение CeO 2 НП. Генеральный директор 2 / TiO 2 Пленки с гетеропереходом имеют множество потенциальных применений. В области фотокатализа его можно использовать для уменьшения загрязнения воды, поскольку CeO 2 может препятствовать быстрой электронно-дырочной рекомбинации TiO 2 и пленки с гетеропереходом могут эффективно адсорбировать органические загрязнители. В области фотокаталитического производства водорода и улучшения TiO 2 датчик кислорода, CeO 2 НЧ / TiO 2 Пленки NTA тоже можно использовать.

Выводы

Самоорганизованный TiO 2 Массивы NT были приготовлены с помощью электрохимического процесса, и они были взяты в качестве наноконтейнеров для загрузки CeO 2 сырье. После термической обработки хорошо распределенный CeO 2 НЧ были успешно получены и загружены на TiO 2 Массивы NT, образующие CeO 2 / TiO 2 гетеропереходные пленки. Образование кубического CeO 2 и анатаз TiO 2 были подтверждены XRD. Микроскопические морфологии различных CeO 2 / TiO 2 гетеропереходы характеризуются SEM, который показывает CeO 2 НЧ плотно осаждались как вокруг трубки, так и внутри внутренней стенки TiO 2 NT-массивы. Успешная подготовка CeO 2 / TiO 2 Пленки гетероперехода были также подтверждены EDS и спектрами комбинационного рассеяния света. Таким образом, это исследование обеспечивает простой метод подготовки CeO 2 / TiO 2 пленки с гетеропереходом с хорошей морфологией, гетерогенной стабильностью и низкой стоимостью, которые были бы многообещающими для приложений, связанных с охраной окружающей среды и энергетики.

Сокращения

EDS:

Энергодисперсионная спектрометрия

NT:

Нанотрубка

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция


Наноматериалы

  • Металл
  • Смола
  • волокно
  • Композитный материал
  • Наноматериалы
  • Полимерные материалы
  • Биопрепараты
  • Краситель
  • Специи
    1. Простой синтез наночастиц SiO2 @ C, закрепленных на MWNT, в качестве высокоэффективных анодных материалов для лити…
    2. Фотокаталитическая активность, усиленная Au-плазмонными наночастицами на фотоэлектроде нанотрубки TiO2, покры…
    3. Повышенная биосовместимость в массивах анодных TaO x нанотрубок
    4. Метод последующей обработки для синтеза монодисперсных бинарных наночастиц FePt-Fe3O4
    5. Изготовление и определение характеристик нового композитного катализатора из углеродного нановолокна Tio2 дл…
    6. Структурные и оптические свойства в видимой и ближней инфракрасной области спектра TiO2, легированного хромом…
    7. Массивы нанотрубок TiO2:изготовлены с помощью мягко-твердого шаблона и зависимости характеристик эмиссии поля…
    8. Определение каталитической активности наночастиц TiO2, легированных переходными металлами, с помощью спектро…
    9. Влияние кислотного пептизирующего агента на соотношение анатаз-рутил и фотокаталитические характеристики н…
    10. Простой метод получения гетероперехода Cu2O-TiO2 NTA с видимой фотокаталитической активностью