Металл-графеновые нанокомпозиты на основе плазмона для эффективного солнечного испарения



Скачать 134.88 Kb.
Дата03.12.2018
Размер134.88 Kb.
Название файлаСтатья.docx

Металл-графеновые нанокомпозиты на основе плазмона для эффективного солнечного испарения.

Солнечно активные композиты на основе графена и наночастиц серебра обеспечивают эффективное преобразование солнечной энергии в тепловую путем сильного испарения в окружающую среду.

Аннотация.

Композитные наночастицы графена-серебра, для эффективного поглощения солнечной энергии, получают сочетанием поверхностный плазмон и оптическое поглощение отдельных фаз в качестве недорогих материалов. Оптоэлектронные и морфологические свойства изучены с различными синтетическими условиями для того, что бы оптимизировать их фототермическую реакцию. Плазмонические наночастицы серебра, инкапсулированные в слои графена действуют как локализованные солнечные нагревательные элементы окружающей среды, из-за чего наблюдается значительный нагрев. Испытанные композиты достаточно стабильны при длительном воздействии солнечной радиации и, следовательно, могут найти применение в различных областях.

Введение

Выработка, преобразование и использование энергии с помощью чистых, экономичных, возобновляемых ресурсов всегда была предметом научного интереса в связи с их потенциалом как в промышленных, так и в непромышленных процессах. Солнечная энергия является одной из самых богатых возобновляемых ресурсов, которая удовлетворяет всем экологическим требованиям, может быть собрана с использованием концентраторов и преобразована в полезные формы энергии для пользы человека. С помощью развитой нано-науки, применения ее различны, в том числе фотоэлектрические, термо-фотовольтаические, твердотельное освещение и фотокаталитическое преобразование энергии широко изучаются с использованием наночастиц. Недавнее предложение создания солнечного пара с использованием поверхностного плазмона, резонансные свойства наночастиц золота приобрели большой интерес. Полезность этих наночастиц в таких процессах сильно зависит от их интенсивного свойства низкой световой эмиссии, контролируемой модификации, оптической плотности, состояния.

Из литературы хорошо известно, что благородные наноматериалы с настраиваемым поверхностным плазмонным резонансом являются высокоэффективными, способны адаптировать свое свойство плотности состояний захвата света и преобразования света для генерирования тепла в масштабе нанометровой длины различными процессами. Следовательно, они служат высокоэффективными локализованными нагревательными элементами для многих потенциальных применений, к ним относятся фототермическая терапия, нанохирургия, фототермическая визуализация, фотоакустическая визуализация и плазмохимическая оптика. Поэтому научными сообществами предпринимаются попытки использовать металлические наночастицы, особенно Au, Ag и Cu, в этом направлении. Кроме того, растущий спрос на эти наночастицы в медицинских областях, также получил значительный интерес. Феномены, которые следуют в таких процессах, включают эффективное поглощение падающих фотонов, преобразование фотонной энергии в тепловую энергию и, наконец, эффективную диффузию генерируемого тепла в соответствующую окружающую среду. Количество выделяемого здесь тепла сильно зависит от различных факторов, такие как размер, форма и количество наночастиц, присутствующих в реакции матрицы. Поэтому желательно сделать выбор наночастиц на основе о требованиях к процессу преобразования энергии. Хорошо известно, что серебряные наночастицы способны генерировать в десять раз более сильное тепло, чем золотые наночастицы, благодаря их высокому поглощению поверхностного плазмона. Кроме того, серебро также имеет преимущество низкой стоимости и богатого материала по сравнению с золотом. Для достижения эффективной и широкополосной абсорбции с помощью поверхностного плазмона изучаются также другие материалы, к ним относятся нитрид титана, нанокомпозиты TiO2-Ag NPs, эффект также определяется количественно в случае выделанной золотой нанопроволоки. Недавно был опубликован интересный обзор по различным теоретическим и экспериментальным аспектам термоплазмоники наряду с их различными возможными применениями. 

Графен, наноматериал на основе углерода, с возбуждающим электрическим, термическим и механическим свойствами был изучен как потенциальный кандидат. Недавно материалы на углеродной основе вместе с металлическими наночастицами были исследованы для генерации солнечного пара. На сегодняшний день различными способами, использующими различные восстановители, получают графен, но среди всех, химическое восстановление с использованием боргидрида натрия является наиболее эффективным, он является дешевым, простым и обеспечивает большой выход.Учитывая все эти факторы, в том числе важность углерода и металлических нанокомпозитов в фототермических процессах, решено подготовить и использовать композиты графена и наночастиц серебра для процесса преобразования тепловой энергии. В этой статье, простой синтетический подход для сообщения о подготовке композитов графена-Ag NPs путем химического восстановления. Влияние восстановителя на оптоэлектронные и морфологические свойства этих композитов было исследовано. Наконец, изучается тепловой эффект наиболее эффективного композита при концентрированном солнечном освещении.

2. Детали эксперимента.

2.1 Материалы.

Графитовый порошок, серная кислота (H2SO4 98%), боргидрид натрия (NaBH4), перманганат калия (KMnO4), нитрат серебра (AgNO3).

2.2. Формирование композитов на основе наночастиц графена-серебра.

Исходный водный раствор (2,4 л) оксида графита (S0) получали из 2 г графитового порошка с использованием хорошо известного метода Хаммерса. Образование композитов графена-Ag было достигнуто простым методом восстановления для пяти различных концентраций боргидрида натрия в водной среде. Концентрации, выбранные для этой работы, были 1 мМ, 25 мМ, 100 мМ, 200 мМ и 500 мМ соответственно. В нашей типичной процедуре синтеза равное количество GO (10 мл) из его запаса было взято в пяти различных конических колбах и обозначены как S1, S2, S3, S4 и S5. В отдельном водный раствор AgNO3 (200 мМ в 50 мл), который добавляли во все вышеуказанные колбы в равной пропорции к каждому при комнатной температуре. Затем эти смеси хорошо обрабатывали ультразвуком в течение 15 минут в ультразвуковой ванне, чтобы достичь надлежащего смешивания двух фаз. Для образования композитов водные растворы с различными молярностями боргидрида натрия готовили в пяти отдельных стаканах и перемешивали, каждый из которых смешивали с различным раствором AgNO3 и GO. Добавление боргидрида натрия во всех случаях (S1-S5) проводили в условиях водяной бани с непрерывным перемешиванием, затем образцы оставляли на более продолжительное время (5 часов) для полного восстановления. При завершении процесса образовалиссь различные окрашенные осадки композитов графена-AgNPs, которые были дополнительно промыты обильным количеством дистиллированной воды для удаления непрореагировавших продуктов. Затем осадки сушат под настольной лампой и сохраняют при комнатной температуре. Фотография готовых коллоидных композитов S1, S3, S4 и S5 показана на Рисунок 1(а).

2.3 Методы определения характеристик.

Спектры оптического поглощения готовых композитов регистрировали, используя Аналитик Сепкорд 200 плюс спектрофотометр. Рентгеновскую дифрактограмму регистрировали с использованием дифрактометра с излучением Cu kα1 (kα1 = 1,54056Å). Термогравиметрический анализ (ТГА) образцов был проведен с помощью тепловизора SDT - Q600, чтобы исследовать термическое разложение готовых композитов. Сканирующая электронная микроскопия(SEM) была выполнена с использованием полевого эмиссионного пистолета, тогда как электроно-микроскопическое (ТЕМ) изображение было выполнено с использованием электронного микроскопа Techai F-30 S-Twin. Измерения при освещении солнечным светом проводились с использованием линзы Френеля, имеющей размер (длина = 65 см, ширина = 48 см и толщина = 0,5 см) и фокусное расстояние 60 см. Температуру образца в процессе нагревания измеряли, используя коммерческий цифровой термометр с алюминиевой хромальной термопарой.

3. Результаты и их обсуждение.

На рисунке 1 (а) показаны нормированные спектры поглощения УФ-видимого света готовых графен-AgNPs композитов (S1-S5), зарегистрированных в коллоидном состоянии (1,5 мг / 4 мл). Спектры поглощения чистого GO (пунктирная линия) также показан для сравнения. Стандартный пик поглощения при 226 нм для этого материала хорошо описаны в литературе. Образец S1 имеет аналогичный вид оптического поведения с небольшой модификацией, которая может быть объяснена небольшими структурными изменениями связанными с восстановлением оксида графита при низкой концентрации боргидрида натрия. Кроме того, отсутствие AgNPs и пиков поглощения графена в этом случае показывает, что в присутствии 1 мМ борогидрида натрия, процент наночастиц серебра довольно мал, и не виден в оптическом поглощении. В случае образца S2 наблюдается четко определенный пик плазмонного резонанса AgNPs при 410 нм(3,03 эВ) вместе с более высоким энергетическим пиком GO при 229 нм (5,42 эВ). Это показывает, что 25 мМ боргидрид натрия способен полность восстановить ионы Ag с образованием AgNPs, а также частично восстановить GO в графене.

Кроме того, аналогичные пики поглощения AgNPs наблюдались для оставшихся композитных образцов (S3 - S5) с небольшим изменением в положениях плазмонно резонансных пиков, тогда как пики высокой энергии сдвинуты почти до 260 нм для всех композитов. Наличие этих пиков подтверждает полную редукцую обоих ионов Ag к AgNPs и GO к графенам, которые вместе образуют композит.

Это объясняется небольшими изменениями, связанными с размерами наночастиц AgNPs в их соответствующих композитах и подтверждается результатами. Пиковые значения плазмонно резонансной энергии, рассчитанные для этих композитов, равны S2 = 3,03 эВ, S3 = 2,99 эВ, S4 =3,06 эВ и S5 = 2,94 эВ. Позиции пиков плазмонных резонансов для этих композитов практически постоянны. Далее, интересно отметить, что существует систематический сдвиг в хвосте плазмонного резонанса для выборок S2-S5. Постепенное увеличение поглощения хвостов при более высокой длине волны может быть связано с плазмонной связью между наноразмерными металлическими частицами, которые встроенны в графеновые слои, но точная причина еще не известна.

Затем в спектрах всех композитов S2 наблюдался резкий провал ~ при 319 нм,S3, S4 и S5. Эти композиты могут действовать как узкополосный полосовой фильтр для УФ-излучения почти 320 нм со средней полной шириной ~ 55 нм. Также ясно видно из этих спектров, за исключением случая S1, поглощение охватывает почти всю видимую область, начиная от 200 нм до 800 нм, за исключением узкого падения при 320 нм. Следовательно, это подтверждает, что эти композиты подходят для поглощения солнечной радиации, и могут быть применены для фототермического преобразования солнечной энергии, как указано во введении. Среди всех композитов, S5 показывает лучшее поглощение из-за эффекта хвоста, поэтому этот композит выбран для фототермического исследования при концентрированном солнечном освещении.

 Далее, рентгеновский снимок дифракции был использован для изучения структурных изменений, связанных со всеми графен-AgNPs. Сравнение образцов композитов (S1-S5) с чистым GO (S0) показаны на рисунке 1 (b). На этом рисунке отчетливо показано наличие пика дифракции (002) GO при 10,95˚. Кроме того, этот характеристический пик GO полностью отсутствует в рентгенограммах образцов композитов графена-AgNPs S1-S5, тогда как для всех композитов возникает широкий горб между 18˚ и 32°, что демонстрирует, что GO полностью восстанавливается до многослойного графена после химического восстановления боргидридом натрия.

Кроме того, интенсивность дифракции графена (широкий горб) уменьшается по сравнению с образцами S1к S5, которая показывает, что с увеличением молярности боргидрида натрия процентная доля AgNPs увеличивается, поэтому в рассеянии рентгеновских лучей преобладают эти наночастицы. Такое поведение можно четко наблюдать на графике, где индексированный спектр S1 представляет наличие дифракционного пика (111) AgNPs наряду со слабым появлением пика (200). Это подтверждает, что низкая концентрация боргидрида натрия (1 мМ) включает меньшее количество AgNPs в графене для образования их композита. Поскольку концентрация восстановителя увеличивается от 1 мМ до 25 мМ, оба пика серебра становятся хорошо заметными, а третий пик при 2 θ = 64,68˚. С дальнейшим повышением концентрации боргидрида натрия до 100, 200 и 500 мМ, интенсивные пики, которые могут быть проиндексированы для дифракции (111), (200), (220), (311) и (222) плоскостей AgNPs кристаллической фазы FCC. Далее, ясно видно из графика, связанные с AgNPs стали более заметными, чем графен с увеличением концентрации восстановителя (образцы S1-S5). Это указывает на то, что большее количество AgNPs было включено в графен с увеличением концентрация борогидрида натрия. Далее, кристаллические размеры включенных наночастиц в композиты S1-S5 оценивались с использованием их соответствующих (111) дифракционных пиков по формуле Дебая-Шеррера (d = k λ / (βcos (θ)), где k - постоянная Шеррера, принятая за 0,9, λ равная длине волны излучения, β - полуширина полной ширины, а θ - угол Брэгга). Таким образом оценивается размер частиц: S1 = 69,6 нм, S2 = 63,3 нм, S3 = 56,8 нм, S4 = 47,6 нм и S5 = 50,4Нм с погрешностью ± 0,9 нм. Эти исследования дают понять, что в современных композитах размер наночастиц серебра несколько уменьшается с увеличением концентрации восстановителя, за исключением образца S5, но их концентрация возрастает от S1 до S5.

Кроме того, термическую стабильность композитов проверяли, используя термогравиметрический анализ и результаты, полученные для образцов GO (S0), RGO, восстановленного нитрата серебра (прямое восстановление AgNO3 боргидридом натрия) и композита графена-AgNPs (образец S5) приведенны на рисунке T1 в качестве дополнительной информации. Эти графики ясно показывают высокую тепловую стабильность в случае прямого сокращения АГП, тогда как ГО претерпевает определенные изменения с температуре, потеряв свой вес при трех различных температурах (1) ниже 100 ° С, (2) около 180˚C и (3) при 500 ˚C. Эти потери веса соответствуют высвобождению молекул воды, пиролизу всех кислородсодержащих функциональных групп и разложению углеродного скелета в течение термического процесса. После восстановления боргидридом натрия, ГО показывает лучшую термическую стабильность при незначительном уменьшении потери массы в два этапа: один около 77 ° С, а другой - около 750 ° С, что указывает на то, что большинство функциональных групп удаляют с помощью восстановления боргидридом натрия. В случае пробы S5 небольшая потеря веса, которая почти ничтожно мала, по сравнению с RGO можно четко наблюдать ниже 455 ˚C, что указывает, практически все термически функциональные кислородсодержащие функциональные группы постоянно удаляются боргмдридом натрия. Из этих графиков видно, что наличие этих функциональных групп в композиционных материалах было из оксида графита, а не из наночастиц Ag. Термически неустойчивый GO становится полностью стабильным после восстановления боргидридом натрия в присутствии AgNPs, который придает хорошую термическую стабильность полученным композитам графена-AgNPs. СЭМ-изображения композиций GO (S0) и графена-AgNPs S1, S2, S3, S4 и S5 были зарегистрированы для изучения морфологических изменений, вызванных различными концентрациями боргидрида натрия. Эти изображения были записаны с использованием порошковых образцов всех композитов, нанесенных на металлический стержень. На рисунке 2 (a) показано это изображение для композитов S5. Для точного сравнения изображения с одинаковым увеличением (100 нм бар) для всех образцов. Хорошо распределенные сферические углеродные наночастицы размером(~ 9 нм) хорошо видны в случае GO (S0), тогда как при меньшем увеличении (вставка на рисунке) наблюдаются слоистые слои GO, являющиеся типичной сигнатурой многослойного оксида графита.

В образцах S1 и S2 имеется несколько кусков, инкапсулированных сферическими частицами (в окружении точечных линии) в их микрографических изображениях, отнесенных к инкапсуляции AgNPs графеном после химического восстановления. Такое поведение четко наблюдается для композитов S3, S4 и S5, причем большее число AgNPs инкапсулировано графеновыми слоями при химическом восстановлении.

Сравнение этих изображений показывает, что увеличение концентрации восстановителя увеличивает процент AgNPs в этих композитах, что также очевидно из XRD и оптических исследований, которые обсуждались ранее.

Трансмиссионная электронная микроскопия была зарегистрирована для наблюдения морфологии инкапсулированных AgNPs в этих композитах. Образец S4 был взят как представитель всех образцов и полученно микрографическое изображение которого показано на рис.2 (b). Изображение представляет собой цепочечную структуру, образованную числом AgNP, имеющих гексагональную форму. Точная форма может быть четко видна из изображения, представленного на вставке этого рисунка. Размер частиц ~ 68 нм, что немного больше размера, оцененного по результатам рентгеновской дифракции.

Кроме того, можно отчетливо увидеть тонкий слой графена, инкапсулирующего цепочку отдельных AgNP на рисунке. Граница этого графенового слоя отмечена белыми пунктирными линиями. Эти наблюдения подтверждают образование композитов графена-AgNPs, в которых AgNPs хорошо инкапсулированы слоями графена.

Затем, чтобы изучить солнечную тепловую реакцию готовых композитов графена-AgNPs, образец S5 облучался при солнечном освещении. Чтобы четко отслеживать изменения, процесс проводили в градуированном прозрачном 100-миллилитровом стеклянном химическом стакане, содержащем 1,35 г порошка в 80 мл воды. Линза Френеля, имеющая размерность (длина = 65 см, ширина = 48 смИ толщина = 0,5 см), а фокусное расстояние 60 см использовалось в качестве концентратора солнечного света для освещения около 1 часа дня, падающая солнечная энергия составляла около 850 Вт / м 2.

Солнечное излучение вышеуказанной линзы фокусировалось на площади 40 см 2, в середине для наблюдения был помещен стакан, содержащий композитный образец S5 вместе с водой.

Схематическое изображение установки, которая иллюстрирует эффективное испарение воды солнечной радиацией показано на схеме. Чтобы измерить изменение температуры при непрерывном освещении, цифровую термопару с металлическим концом вставляли в стакан таким образом, чтобы избежать прямого воздействия солнечной радиации. Эти наблюдения проводились на открытом воздухе для максимального времени 30 минут. По мере начала процесса облучения наблюдалось медленное барботирование в течение 30 секунд после воздействия, которое за короткий промежуток времени стало достаточно энергичным. Это привело к изменению температуры воды с большей скоростью (чуть больше, чем температура кипения воды в течение четырех минут). После чего жидкость начинает испаряться из стакана. Скорость испарения воды была зарегистрирована в температурной зависимости от времени при солнечной освещенности и нанесена на график 3 (a) и (b). Образование пузырьков у поверхности образца, указывает что AgNPs, инкапсулированные с графеновыми слоями, действуют как локализованные нагревательные элементы, эффективно конвертируют солнечную энергию в тепловую энергию. В другом наборе экспериментов , измерения проводились в идентичных условиях, но в отсутствие композита графена-AgNPs. Медленный отклик испарения воды наблюдался без заметного барботирования воды.

Температура повышалась довольно медленно, через 12 минут температура достигла 95 ° С. Сравнительные исследования этих результатов с более ранним случаем, нанесены на рисунки 3 (а) и (б). Эти результаты ясно подтверждают, что присутствие состава на воде значительно усиливает поглощение и преобразование солнечной энергии излучения. Скорость испарения, рассчитанная по этим графикам, близка к 80% в случае композита, тогда как без композита только 7,5%. Кроме того, нагрев композитом материала воспроизводтся для многих циклов (более 100 раз), указывая, что подготовленный композит графена-AgNPs стабилен при концентрированном солнечном освещении.

Стабильность экспонированного композита (S5) регистрировали путем измерения оптической абсорбции и дифракции рентгеновских лучей после окончания 100 циклов солнечного освещения. Результаты полученные с помощью рентгеновской дифракции, показывают почти такую ​​же картину, как и исходная, но незначительное изменение в оптическом поглощении. Они показывают, что после солнечного освещения пик плазмонного резонанса оказалось неизменным, тогда как поглощение на более высокой длине волны увеличилось по сравнению с исходном композитом. Это показывает, что после экспозиции поглощение на более высокой длине волны станет немного лучше. Для понимания этого поведения необходима дальнейшая работа.

 Основные преимущества современных графеновых AgNPs композитов: недорогие, легко подготавливаются, с хорошим выходом, легко масштабируются для массового производства, покрывают широкий диапазон поглощения в диапазоне от 200 нм до 800 нм и являются устойчивими при солнечном освещении.

4. Выводы.



Простой метод получения композитов графена-AgNPs с использованием боргидридного натрия, оптическое поглощение которого можно настроить для охвата большей части видимой области спектра Солнца. С увеличением количества восстанавливающего агента, процент включений AgNPs в эти композиты, поддерживает почти постоянный размер. Установлено, что включения наночастиц имеют гексагональную форму с размером от 48 нм до 69 нм и хорошо инкапсулируются слоями графена. Отмечается, что эти нанокомпозиты достаточно устойчивы при продолжительном воздействии концентрированной солнечной радиации. Кроме того, показано, что эти композиты являются недорогими, легко масштабируются и являются эффективными материалами для поглощения и преобразования солнечной радиации в более полезные форме энергии.

Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©coolnew.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница
Контрольная работа
Курсовая работа
Теоретические основы
Общая характеристика
Лабораторная работа
Теоретические аспекты
Методические указания
Дипломная работа
Федеральное государственное
Пояснительная записка
Рабочая программа
Методические рекомендации
Основная часть
История развития
Общие сведения
Практическая работа
государственное бюджетное
Теоретическая часть
Физическая культура
Выпускная квалификационная
квалификационная работа
Краткая характеристика
государственное образовательное
Направление подготовки
Современное состояние
Практическое задание
Российская академия
Методическая разработка
История возникновения
теоретические основы
Самостоятельная работа
образовательное бюджетное
Название дисциплины
бюджетное учреждение
Финансовое планирование
история возникновения
Организация производства
Конституционное право
Правовое регулирование
Теория государства
Общая часть
Учебное пособие
Гражданское право
истории развития
Политические партии
Технология производства
концепции личности
основная часть
Организация работы
прохождении учебной
Антикризисное управление