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石墨烯-氧化亚铜纳米线介观晶体杂化材料:从胶体化学到器件应用
热度 3 Nanofhm 2012-8-22 06:48
石墨烯-氧化亚铜纳米线介观晶体杂化材料:从胶体化学到器件应用
Reduced Graphene Oxide Conjugated Cu 2 O Nanowire Mesocrystals for High-Performance NO 2 Gas Sensor 作者: Suzi Deng, Verawati Tjoa, Hai Ming fan*, Hui Ru Tan, Dean C. Sayle, Malini Olivo, Subodh Mhaisalkar, Jun Wei, Chorng Haur Sow * 期刊 :J. Am. Chem. Soc.2012, 134, 4905-4917 摘 要: Reduced graphene oxide (rGO)-conjugated Cu 2 O nanowire mesocrystals were formed by nonclassical crystallization in the presence of GO and o -anisidine under hydrothermal conditions. The resultant mesocrystals are comprised of highly anisotropic nanowires as building blocks and possess a distinct octahedral morphology with eight {111} equivalent crystal faces. The mechanisms underlying the sequential formation of the mesocrystals are as follows: first, GO-promoted agglomeration of amorphous spherical Cu 2 O nanoparticles at the initial stage, leading to the transition of growth mechanism from conventional ion-by-ion growth to particle-mediated crystallization; second, the evolution of the amorphous microspheres into hierarchical structure, and finally to nanowire mesocrystals through mesoscale transformation, where Ostwald ripening is responsible for the growth of the nanowire building blocks; third, large-scale self-organization of the mesocrystals and the reduction of GO (at high GO concentration) occur simultaneously, resulting in an integrated hybrid architecture where porous three-dimensional (3D) framework structures interspersed among two-dimensional (2D) rGO sheets. Interestingly, “super-mesocrystals” formed by 3D oriented attachment of mesocrystals are also formed judging from the voided Sierpinski polyhedrons observed. Furthermore, the interior nanowire architecture of these mesocrystals can be kinetically controlled by careful variation of growth conditions. Owing to high specific surface area and improved conductivity, the rGO-Cu 2 O mesocrystals achieved a higher sensitivity toward NO 2 at room temperature, surpassing the performance of standalone systems of Cu 2 O nanowires networks and rGO sheets. The unique characteristics of rGO-Cu 2 O mesocrystal point to its promising applications in ultrasensitive environmental sensors. 简评:介观晶体(Mesocrystal)是一种胶体晶体 (colliod crystal),最早来源于胶体化学领域。它是晶体生长过程的一个中间态,由非球形的纳米基本单元按照材料本身晶体结构有序的组织起来的一种超结构(superstructure). 由于介观晶体是通过和生物矿化过程类似的一种非经典结晶方式,即通过纳米颗粒为前驱生长出来(nanoparticle mediate crystallization),具备丰富的形貌近年吸引了很多注意力.目前大多数研究集中在了解其3维结构的生长机制。如果换个角度来看,人们或许可以利用这种生长方式由底至上的自组织生长有序的纳米颗粒构成的超结构。而这些超结构具备多种优良特性可以很容易的用于制备技术上有用的纳米器件。本文介绍了一种新的纳米线介观晶体,通过使用双亲的氧化石墨烯作为表面活性剂,成功的将生长过程由传统的离子前驱生长转变成了纳米颗粒为前驱的生长方式,即先形成了非晶的纳米颗粒,这些纳米颗粒在聚合物和GO的作用下团聚成微米尺寸的胶体球;这些球状聚集体经过介观尺度结构变形(mesoscale transformation),最终形成了由相互贯穿的高个向异性纳米线组成的介观晶体。这个结构和我们在日常生活中所见的建筑工地的脚手架非常类似。在生成介观晶体的同时,氧化石墨烯在水热条件下还原成“还原氧化石墨烯”(想请教一下,rGO怎么翻译比较合适?),在高氧化石墨烯含量的时候和介观晶体杂化形成网络体系。这个杂化网络体系被制作成气体传感器,在室温下,对NO2气体有很好的检测性能,最低检测浓度为64ppb. 这个工作提供了一种新的介观晶体体系,其GO辅助的生长方式和原位杂化,可广泛用于合成其他类似的介观晶体体系。同时,介观晶体所具备的多种多样的自组装纳米结构可提供许多独特的物理化学性质,因此有望在光学,传感器,催化的多个领域有重要的应用。 注:很多专业词中文翻译不太准确,如有不对的地方请参考英文定义。如能帮助指正,非常感谢。
个人分类: 学术交流|8923 次阅读|3 个评论
氧气还原反应催化剂:负载在石墨烯上的氧化亚铜纳米颗粒
热度 5 Guoxiangyun 2011-12-17 11:40
氧气还原反应催化剂:负载在石墨烯上的氧化亚铜纳米颗粒
在燃料电池中,阳极催化剂上发生燃料(如甲醇)的氧化反应,阴极则发生氧气还原反应。目前阳极、阴极都使用Pt催化剂。但Pt储量少,价格昂贵,所以应用受到限制,因此人们竞相开发无Pt催化剂。课题组最近关于燃料电池催化剂的工作取得一些进展,其中关于阴极催化剂的工作在Chem. Commu.(2012, 48: 1892-1894)发表。 我们知道,氧化亚铜在潮湿的空气中很容易氧化成氧化铜,说明氧化亚铜很容易还原O 2 。这是一个不可逆过程,也就是说CuO在空气中常温下不会自发变回Cu 2 O。因此,只能说氧化亚铜可与O 2 反应使O 2 还原,不能说氧化亚铜能催化氧气还原。另外,氧化亚铜和氧气反应时,通常之发生在颗粒表面。因为氧化亚铜本身不导电,所以颗粒表层的Cu + 失去电子成为Cu 2+ 后,颗粒内部可能仍然是Cu + 。但是,当纳米尺寸的Cu 2 O被负载到石墨烯上以后,情况发生了变化。 由于石墨烯表面电子是离域的,且迁移速率很高,负载在石墨烯表面的氧化亚铜纳米颗粒就像汪洋大海中的礁石群,时不时地被石墨烯电子的“潮汐”所淹没。每一次淹没,就相当于给氧化亚铜补充一次电子。因此Cu 2 O把电子给了O 2 后,很容易从石墨烯(电极)中得到补充。这里,Cu 2 O的性质未发生变化,是实实在在的催化剂。但是,如果氧化亚铜颗粒的尺寸超过一定限度,石墨烯电子的“潮汐”难以淹没时,其电催化活性会迅速降低。可以想象,不应该只有氧化亚铜纳米颗粒具有这种量子尺寸效应。由于Cu 2 O/石墨烯催化剂几乎不发生Pt催化剂容易发生的CO和甲醇中毒现象,所以Cu 2 O/石墨烯是一类很有前景的新型氧气还原催化剂。 文章接受后,编辑询问是否作Back Cover。问了一下价格,我觉得有点不值,就算了。感谢课题组学生王云伟制作TOC(下图)。
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