home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Terminal Groepsafhankelijk Near-Field Enhancement-effect van Ti3C2Tx Nanosheets

Abstract

Zowel meerlagig (ML) als weiniglagig (FL) Ti3 C2 Tx nanosheets zijn bereid door middel van een typische ets- en delaminatieprocedure. Verschillende karakteriseringen bevestigen dat de dominante terminale groepen op ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx zijn verschillend, die respectievelijk zijn toegewezen aan O-gerelateerde en hydroxylgroepen. Een dergelijke afwijking van de dominante terminals resulteert in de verschillende fysieke en chemische prestaties en zorgt er uiteindelijk voor dat de nanosheets verschillende potentiële toepassingen hebben. In het bijzonder, vóór koppeling aan Ag-nanodeeltjes, ML-Ti3 C2 Tx kan een sterker near-field-verbeteringseffect vertonen; echter, Ag/FL-Ti3 C2 Tx hybride structuur kan een sterker nabij-veld beperken dankzij de elektroneninjectie, die kan worden geboden door de getermineerde hydroxylgroepen.

Inleiding

Ti3 C2 Tx , een typisch tweedimensionaal gelaagd overgangsmetaalcarbide met een grafeenachtige structuur, heeft veel aandacht getrokken vanwege zijn brede potentiële toepassingen op het gebied van katalyse, energie en geneeskunde dankzij zijn unieke eigenschappen, met name een groot specifiek oppervlak enzovoort [1,2,3,4,5,6]. Het is aangetoond dat de fysische en chemische prestaties van Ti3 C2 Tx kan worden bepaald door de eindgroepen, aangeduid als Tx in de formule (meestal –F, –O en/of –OH), die kan worden aangepast door verschillende bereidingsprocedures te kiezen [7, 8]. Sommige experimentele resultaten geven bijvoorbeeld aan dat het hydrofiele hydrofobe evenwicht van Ti3 C2 Tx kan worden gemoduleerd door interactie met sommige agentgroepen met -O-terminalgroepen op Ti3 C2 Tx [9], en de Pb-adsorptiecapaciteit kan worden verbeterd door verbinding te maken met hydroxylgroepen op Ti3 C2 Tx [10]. In de tussentijd hebben enkele theoretische werken vastgesteld dat de aangehechte methoxygroepen de stabiliteit van Ti2 kunnen verbeteren C en Ti3 C2 [11], en O-gerelateerde eindgroepen zouden de opslagcapaciteit van lithiumionen van verschillende nanosheets [12] kunnen verbeteren. Afgezien van de veelsoortige toepassingen door gebruik te maken van de unieke gelaagde structuur met bepaalde terminalgroepen, blijkt dat Ti3 C2 Tx kan ook plasmonische prestaties vertonen, en de resonantiegolflengte kan worden afgestemd door de terminals en/of dikte [13], wat aangeeft dat Ti3 C2 Tx zou het elektromagnetische veld onder excitatie kunnen beperken en kan uiteindelijk worden gebruikt als breedbandperfecte absorptiemiddelen [14, 15], Terahertz-afschermingsapparaten [16] en fotonische en/of moleculaire detectoren of sensoren [17,18,19]. De meeste eerdere werken hadden echter betrekking op de etsconditieafhankelijke terminale groepen [20] of waren gericht op de algehele plasmonische prestaties [21]. Daarom is het interessant om de relatie tussen de terminale groepen van Ti3 . systematisch te bestuderen C2 Tx met verschillende lagen en hun nabije-veldverbeteringseffect, aangezien een dergelijk effect op grote schaal is toegepast in veel optisch gerelateerde velden, zoals oppervlakteversterkte Raman-verstrooiingsdetectie, vanwege het sterke beperkte elektromagnetische veld [22,23,24].

In dit werk is, om de terminalopties te vereenvoudigen en het gebruik van gevaarlijke HF te vermijden, het gemengde etsmiddel van LiF en HCl gebruikt om de fluorterminals (-F) in het etsproces te minimaliseren [25]. Verder is de procedure van sonicatie in water uitgevoerd om het meerlagige Ti3 te delamineren C2 Tx (ML-Ti3 C2 Tx ) in Ti3 . met weinig lagen C2 Tx (FL-Ti3 C2 Tx ) zonder toevoeging van andere reagentia. Als resultaat is de verkregen Ti3 C2 Tx met verschillende lagen in dit werk zal voornamelijk worden beëindigd door O- of OH-gerelateerde groepen, waardoor ML-Ti3 C2 Tx of FL-Ti3 C2 Tx nanosheets onthullen verschillende fysische en chemische eigenschappen en vertonen uiteindelijk verschillende bijna-gearchiveerde verbeteringsprestaties. Bovendien zijn de hybride structuren samengesteld uit Ti3 C2 Tx en Ag-nanodeeltjes zijn bereid en de bijbehorende koppelingseffecten zijn ook onderzocht. Een dergelijke verkenning met betrekking tot terminalafhankelijke plasmonische prestaties van deze Ti3 C2 Tx met verschillende lagen en configuraties kan mensen helpen om geschikte Ti3 . te selecteren C2 Tx -gebaseerde materialen in een aantal specifieke optische velden.

Methoden

Voorbereiding van Ti3 C2 Tx Nanovellen

ML-Ti3 C2 Tx werd opgesteld door een gewijzigde, eerder gerapporteerde methode te volgen [26]. Het typische etsproces begon met de bereiding van LiF-oplossing door 1 g LiF onder roeren op te lossen in 20 ml verdunde HCl-oplossing (6 M). Vervolgens 1 g Ti3 AlC2 poeder werd langzaam toegevoegd aan de bovenstaande oplossing en het etsproces werd gedurende 45 uur onder roeren op 70°C gehouden. Het natte sediment werd vervolgens verschillende keren gewassen met gedeïoniseerd water totdat de pH van de suspensievloeistof groter was dan 6. Daarna werd de suspensie verzameld en benoemd als ML-Ti3 C2 Tx . FL-Ti3 . verkrijgen C2 Tx , ML-Ti3 C2 Tx werd verder gedelamineerd door sonicatie gedurende 2 uur in Ar-atmosfeer en gevolgd door centrifugatie bij 3500 tpm gedurende 1 uur.

Voorbereiding van Ag/Ti3 C2 Tx Nanocomposieten

De synthese van de hybride materialen werd gestart met de bereiding van de gemengde oplossing van AgNO3 (12,5 ml, 2 mmol/L) en NaC6 H5 O7 (12,5 ml, 4 mmol/L) bij kamertemperatuur. Na het snel toevoegen van PVP-oplossing (25 ml, 0,1 g/ml), Ti3 C2 Tx oplossing (5 ml, 0,05 mg/ml) werd vervolgens langzaam toegevoegd aan de gemengde oplossing onder roeren gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur. Vervolgens werd de hierboven gemengde oplossing tot 70 °C verwarmd om gedurende 45 uur te reageren. Na centrifugeren werden de producten in water bewaard en benoemd als Ag/ML-Ti3 C2 Tx en Ag/FL-Ti3 C2 Tx , respectievelijk, volgens het type Ti3 C2 Tx gebruikt in de procedure.

Karakterisering

Een veldemissie scanning-elektronenmicroscoop (Carl ZEISS Sigma) en twee transmissie-elektronenmicroscopen (JEM-2100F en JEM-1400Flash) zijn gebruikt om de morfologie van de monsters te bepalen. De röntgendiffractie (XRD) patronen in het bereik van 2θ = 5°-80° met een stap van 0,02° werden geregistreerd op een poederdiffractometer (X'Pert PRO MPD). Zeta-potentialen en oppervlaktetoestanden van ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx werden gemeten met respectievelijk een Malvern Zetasizer (Nano-ZS90) en een röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS, ESCALAB 250Xi). De absorptie en Raman-prestaties van monsters werden geregistreerd door respectievelijk een UV-Vis-spectrofotometer (CARY 5000) en een Raman-spectroscopie (LabRAM HR Evolution). De excitatiegolflengte van Raman-detectie was 532 nm, en de laservermogens voor gebruikelijke Raman-metingen en oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing (SERS)-karakteriseringen waren respectievelijk 12,5 mW en 0,05 mW.

Resultaten en discussie

Beide morfologieën van ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx worden respectievelijk getoond in Fig. 1a, b en c, d. Het is te zien dat FL-Ti3 C2 Tx ziet er transparanter uit, wat aangeeft dat het laagnummer veel minder is dan ML-Ti3 C2 Tx . Afbeelding 1e toont de XRD-patronen van alle monsters. Ti3 AlC2 en ML-Ti3 C2 Tx tonen hun typische fasekenmerken, die goed overeenkomen met sommige eerdere rapporten [26,27,28]. Het kan gemakkelijk worden waargenomen dat de intense (002) piek van ML-Ti3 C2 Tx verschuift naar de lagere hoek vergeleken met die van Ti3 AlC2 , wat de verwijdering van Al-atomen uit de MAX-fase impliceert en het uitzetten langs de c-as. Vergeleken met de diffractiepieken van ML-Ti3 C2 Tx , zowel verbrede (002) piek als verdwenen (004) en (008) pieken van FL-Ti3 C2 Tx bepaalde de succesvolle voorbereiding van het paarlaagse monster [29]. Bovendien is de (002) piek van FL-Ti3 C2 Tx lokaliseert onder een iets grotere hoek dan die van ML-Ti3 C2 Tx , wat aangeeft dat ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx moet worden beëindigd met verschillende groepen, die respectievelijk kunnen worden toegeschreven aan -O en -OH, aangezien de zoals bereid Ti3 C2 Tx (ML-Ti3 C2 Tx ) zal niet hoofdzakelijk worden beëindigd met -F zonder HF als etsmiddel en de overeenkomstige c-parameters die worden aangetrokken uit de XRD-patronen komen goed overeen met wat eerdere werken meldden [25, 30].

Morfologie en fasebepalingen. een , b SEM- en TEM-afbeeldingen van ML-Ti3 C2 Tx . c , d SEM- en TEM-beelden van FL-Ti3 C2 Tx . e XRD-patronen van Ti3 AlC2 , ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx

Afbeelding 2a toont Raman-spectra van ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx . Zoals te zien is dat de Raman-signalen in het bereik van 200-800 cm −1 want beide monsters zijn vrij gelijkaardig. Onder hen de piek van 717 cm −1 komt door de A1g symmetrische out-of-plane trillingen van Ti- en C-atomen, terwijl de pieken bij 244, 366 en 570 cm −1 komen voort uit de in-plane (afschuif)modi van respectievelijk Ti, C en oppervlakte-eindgroepen [31, 32]. Wat betreft de Raman-signalen variërend van 800 tot 1800 cm −1 , vergeleken met ML-Ti3 C2 Tx , FL-Ti3 C2 Tx toont niet alleen een sterker Raman-signaal bij 1580 cm −1 (G-band), maar presenteert ook twee opkomende Raman-banden op 1000–1200 cm −1 en 1300 cm −1 (D-band). Hierin geeft het verschijnen van de D-band aan dat sommige Ti-atomen zijn afgepeld en meer C-atomen zijn blootgesteld aan de omgeving [33]. Daarom is de geïntegreerde Raman-intensiteit van FL-Ti3 C2 Tx in dit bereik is iets groter dan dat van ML-Ti3 C2 Tx , wat inhoudt dat FL-Ti3 C2 Tx adsorbeert meer terminale groepen. Zeta-potentialen van ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx zijn respectievelijk −4,38 en −26,9 mV, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Fig. S1, die verder bevestigen dat FL-Ti3 C2 Tx worden beëindigd door meer groepen met negatieve ladingen.

een Raman-spectra en b Genormaliseerde absorptiespectra van FL-Ti3 C2 Tx en ML-Ti3 C2 Tx . De inzet in b presenteert de absorptiebanden van FL-Ti3 C2 Tx en ML-Ti3 C2 Tx in het UV-gebied

De UV–Vis-spectra getoond in Fig. 2b laten zien dat zowel FL-Ti3 C2 Tx en ML-Ti3 C2 Tx presenteren twee dominante absorptiebanden. In het UV-gebied (225–325 nm), FL-Ti3 C2 Tx vertoont een relatief sterkere absorptieband die overeenkomt met de overgang van de bandgap [34], wat impliceert dat er meer -OH-groepen zijn beëindigd op FL-Ti3 C2 Tx [35]. Aan de andere kant laat de vergelijking tussen de absorptiebanden met lange golflengte (600-1000 nm) van beide monsters zien dat de relatieve intensiteit van FL-Ti3 C2 Tx in dit bereik is duidelijk lager dan dat van ML-Ti3 C2 Tx , wat aangeeft dat ML-Ti3 C2 Tx worden voornamelijk beëindigd door -O [35]. FL-Ti3 C2 Tx kan goed worden gedispergeerd in de waterige oplossing, aangezien de getermineerde –OH-groepen hydrofiliciteit en elektrostatische afstoting tussen vellen vertonen [31, 36]. Wat betreft ML-Ti3 C2 Tx met meer –O-terminals kan het alleen in het begin een schorsing vormen en zal het vervolgens deponeren zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Fig. S2a.

Om meer licht te werpen op de oppervlaktegroepen die eindigen op ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx , XPS-spectra van beide monsters werden verzameld en worden weergegeven in Fig. 3. Alle bijbehorende gedetailleerde informatie over de oppervlaktetoestanden is samengevat in Aanvullend bestand 1:Tabel S1. De fractie van Ti-C in FL-Ti3 C2 Tx (9,80%) is lager dan die in ML-Ti3 C2 Tx (17,31%), terwijl de verhouding van C–C in FL-Ti3 C2 Tx (44,62%) is hoger. Dergelijke veranderingen in oppervlaktetoestanden wijzen op het verlies van Ti-atomen en de meer blootgestelde C-atomen op het oppervlak van FL-Ti3 C2 Tx , wat overeenkomt met de opkomende D-band in zijn Raman-spectrum getoond in figuur 2a. De verhoogde C-Ti-Tx verhouding in FL-Ti3 C2 Tx (21,27%) geeft aan dat er meer actieve terminale groepen op het oppervlak zouden moeten worden geadsorbeerd dan ML-Ti3 C2 Tx , wat overeenkomt met de Zeta-potentiële resultaten getoond in Aanvullend bestand 1:Fig. S1. Afgezien van het aantal terminale groepen, onthult de analyse van XPS-resultaten ook dat FL-Ti3 C2 Tx en ML-Ti3 C2 Tx zijn beëindigd door verschillende dominante functionele groepen, wat ook is gesuggereerd door de (002) diffractiepieken getoond in figuur 1e. Wat betreft de O 1 -spectra van deze twee monsters, is duidelijk te zien dat er meer O-gerelateerde toestanden zijn gevonden op het oppervlak van ML-Ti3 C2 Tx , en sommige zijn geadsorbeerde zuurstofmoleculen, die kunnen dissociëren om Ti3 te vormen C2 Ox en zal daarom O2 . afstoten in de lucht om verdere oxidatie van ML-Ti3 . te voorkomen C2 Tx [37]. Als gevolg hiervan, ML-Ti3 C2 Tx lijkt een betere oxidatieweerstand te hebben met een lagere TiO2 verhouding (13,98%) dan FL-Ti3 C2 Tx (19,60%).

XPS-spectra van ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx een Ti2p, b C1s, c O1's

Op basis van de waarnemingen en analyses van Fig. 1, 2 en 3, kan worden geconcludeerd dat hoewel zowel ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx worden beëindigd door sommige functionele groepen met een negatieve lading, de hoeveelheid en het dominante type van de groepen zijn behoorlijk verschillend. Aan de ene kant het aantal terminalgroepen op FL-Ti3 C2 Tx is groter dan die van ML-Ti3 C2 Tx . Aan de andere kant, de dominante terminalstructuur op ML-Ti3 C2 Tx is Ti3 C2 O2 , waardoor ML-Ti3 C2 Tx stabieler in de lucht te zijn [38], terwijl voor FL-Ti3 C2 Tx , het wordt voornamelijk beëindigd door Ti3 C2 (OH)2 , wat FL-Ti3 . helpt C2 Tx goed te dispergeren in waterige oplossingen [36].

Ti3 C2 Tx met functionele terminale groepen zou goede adsorptieprestaties kunnen onthullen en zou daarom kunnen werken als een oppervlakteversterkt Raman-verstrooiing (SERS)-substraat om de Raman-activiteit van positief geladen sondemoleculen te verbeteren [3, 39, 40]. Vergelijken met ML-Ti3 C2 Tx , FL-Ti3 C2 Tx zou een beter adsorptievermogen moeten hebben, omdat is vastgesteld dat het wordt beëindigd met meer negatieve ladingen. Dergelijke betere adsorptieprestaties zijn aangetoond door de optische foto's van de gemengde oplossing met R6G en FL-Ti3 C2 Tx zoals getoond in Aanvullend bestand 1:Fig. S2b. Uit figuur 4a blijkt echter dat de ML-Ti3 C2 Tx substraat presteert duidelijk betere SERS-activiteit dan FL-Ti3 C2 Tx een. Gezien ML-Ti3 C2 Tx met –O-terminal een sterkere absorptieband gecentreerd rond 800 nm, die kan worden toegeschreven aan de oppervlakteplasmonresonante absorptie [3, 15, 39, 41], kan daarom worden geconcludeerd dat ML-Ti3 C2 Tx met sterkere SERS-activiteit zou het gevolg moeten zijn van het sterkere nabije-veldeffect dat wordt veroorzaakt door de relatief sterkere oppervlakteplasmonresonantie zoals weergegeven in figuur 2b.

een SERS-spectra van R6G (10 –3 M) met ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx . b SERS-spectra van R6G (10 –6 M) met Ag/ML-Ti3 C2 Tx en Ag/FL-Ti3 C2 Tx . c Schematisch diagram van elektronenoverdracht van FL-Ti3 C2 Tx aan Ag NP vanwege hun verschil in werkfunctie. Wm en Ws vertegenwoordigen de werkfuncties van Ag NP en FL-Ti3 C2 Tx , respectievelijk

Om de relatie tussen de terminale groepen en het bijna-gearchiveerde effect van Ti3 . verder te onderzoeken C2 Tx nanosheets, de hybride structuren samengesteld uit Ti3 C2 Tx nanosheets, waaronder enkele gelaagde en meerlagige, en Ag-nanodeeltjes (NP's) zijn gesynthetiseerd, die dienovereenkomstig worden aangeduid als Ag/FL-Ti3 C2 Tx en Ag/ML-Ti3 C2 Tx , respectievelijk. De morfologieën van beide hybride monsters worden getoond in aanvullend bestand 1:Fig. S3. De inzetstukken geven de overeenkomstige grootteverdelingen aan van Ag NP's die worden geladen op ML-Ti3 C2 Tx (5–40 nm) is groter dan die op FL-Ti3 C2 Tx (2–20 nm). Intuïtief kan worden geconcludeerd dat Ag/ML-Ti3 C2 Tx zou betere SERS-activiteit kunnen uitvoeren dan Ag/FL-Ti3 C2 Tx aangezien zowel grotere Ag NP's als relatief sterkere oppervlakteplasmonresonantie van ML-Ti3 C2 Tx zijn gunstig om een ​​sterker nabij-veld te beperken. De SERS-spectra getoond in figuur 4b onthullen echter een contra-intuïtief resultaat. Het is duidelijk dat het versterkende effect van Ag/FL-Ti3 C2 Tx is bijna 3 keer zoveel door Ag/ML-Ti3 C2 Tx , wat impliceert dat de koppeling tussen Ag NP's en FL-Ti3 C2 Tx moet een belangrijke rol spelen tijdens het opsporingsproces. Zoals hierboven bevestigd, is FL-Ti3 C2 Tx is voornamelijk beëindigd door -OH-groepen met veel oppervlakte-elektronen, wat zal resulteren in de vorming van Ti3 C2 (OH)2 structuur met een werkfunctie van 1,6-2,8 eV [42, 43]. Zoals weergegeven in Fig. 4c, zullen de overvloedige oppervlakte-elektronen daarom worden overgedragen van FL-Ti3 C2 Tx naar Ag NP's met een werkfunctie van 4,7 eV [44]. Met de extra injectie van hete elektronen van FL-Ti3 C2 Tx , Ag NP's met een kleinere afmeting kunnen een sterkere resonantie vertonen onder de excitatie en uiteindelijk betere SERS-activiteit uitvoeren vanwege het door de koppeling geïnduceerde sterkere elektromagnetische effect. Het is vermeldenswaard dat de werkfunctie van Ti3 C2 O2 structuur gevormd op het oppervlak van ML-Ti3 C2 Tx is ongeveer 6,0 eV [43], wat zal resulteren in elektronenoverdracht van het Ag NP-oppervlak naar ML-Ti3 C2 Tx nanosheets en zal daarom het versterkte effect in het nabije veld verzwakken dat wordt ondersteund door de Ag NP's. Aan de andere kant, niet zoals FL-Ti3 C2 Tx met -OH-aansluitingen, ML-Ti3 C2 Tx met -O terminals kunnen niet voldoende elektronen bieden onder excitatie [42]. Het is daarom redelijk dat de SERS-activiteit van Ag/ML-Ti3 C2 Tx is slechter dan die van Ag/FL-Ti3 C2 Tx .

Conclusies

Samengevat, ML-Ti3 C2 Tx en FL-Ti3 C2 Tx beëindigd met verschillende dominante functionele groepen zijn met succes voorbereid. Het is aangetoond dat ML-Ti3 C2 Tx is stabieler in de lucht dankzij de oppervlaktestructuur van Ti3 C2 O2 en sterkere SERS-activiteit vertonen dan FL-Ti3 C2 Tx omdat het een sterker near-field-effect kan onthullen. Echter, FL-Ti3 C2 Tx beëindigd door Ti3 C2 (OH)2 kan goed worden gedispergeerd in waterige oplossing en zal betere SERS-prestaties vertonen na koppeling aan de Ag NP's vanwege de voldoende elektroneninjectie. Dergelijk onderzoek met betrekking tot de eindgroep-afhankelijke near-field verbeteringsprestaties zal mensen helpen om de potentiële toepassingen van Ti3 uit te breiden. C2 Tx in de optisch gerelateerde velden.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De ruwe dataset die tijdens het experimentele werk is geanalyseerd, is op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.

Afkortingen

ML-Ti3 C2 Tx :

Meerlaagse Ti3 C2 Tx

FL-Ti3 C2 Tx :

Weinig gelaagde Ti3 C2 Tx

SERS:

Oppervlakte verbeterde Raman-verstrooiing

NP's:

Nanodeeltjes


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Wat is corrosie van accupolen?
    2. Effect van ultraviolette bestraling op 4H-SiC PiN-diodes Kenmerken
    3. Oppervlakte-effect op olietransport in Nanochannel:een onderzoek naar moleculaire dynamiek
    4. Het effect van een kleine hoeveelheid SiO2 op de sinterkinetiek van tetragonale zirkoniumoxidenanopoeders
    5. Het effect van sulfaatanionen op de ultrafijne Titania-kiemvorming
    6. Verbeterd niet-lineair optisch effect in hybride vloeibaar-kristalcellen op basis van fotonisch kristal
    7. Effect van opsluiting op fotofysische eigenschappen van P3HT-ketens in PMMA-matrix
    8. Effect van polyethyleenglycol op de NiO-fotokathode
    9. Wat is een negatieve terminal?
    10. Wat is een positieve terminal?
    11. Hall-effectsensor begrijpen