Застосування Silver нанопроволокой на прозорому провідну плівку і Електрод електрохімічний конденсатор

- Mar 06, 2017 -

абстрактний

Silver нанопроволоки має потенційні можливості застосування на прозорій плівці і провідному електрода електрохімічного конденсатора з - за його відмінну провідність. Прозора провідна плівка (G-плівка) отримують шляхом нанесення срібла нанопроволоки на скляній підкладці з використанням методу стрижня Мейера, на якій експонувалися кращу продуктивність , ніж вуглецеві нанотрубки і графен. Провідність G-плівки може бути поліпшена за рахунок підвищення температури спікання. Електрод електрохімічного конденсатора (I-плівки) був виготовлений з допомогою того ж методу з G-плівки на оксид індію - олова (ITO). CV криві I-плівки при різних швидкостях сканування мали очевидні окислювально - відновні піки, які показали , що I-плівка демонструвала відмінні електрохімічні характеристики псевдоемкості і хорошою оборотності під час процесу зарядки / розрядки. Крім того, питома ємність I-плівки була виміряна з допомогою гальваностатичного експериментів заряду / розряду, що вказує , що I-плівка має високу спеціальну ємність і чудову електрохімічний стабільність.

1. Введення

В останні роки на основі благородних металів наноматеріали, особливо срібло наноматериал стати об'єктом досліджень з - за їх унікальних фізичних і хімічних властивостей, які широко використовується в каталізі [ 1 ], оптичні, електричні [ 2 , 3 ], і антибактеріальний [ 4 ] райони. Серед цих різних срібних наноструктурах, нанопроволоки привернула інтенсивні сили через його високої провідності постійного струму і оптичного пропускання. Як оптоелектронні пристрої стають менше і легше, існує зростаюча потреба в ефективних прозорих електродів. Найбільш поширеним матеріалом прозорих електродів є оксид індію та олова (ITO) ,; Однак, ITO не може йти в ногу з розвитком оптико-електронних приладів через його високу вартість, крихкості і критичного процесу підготовки. Хоча люди намагалися використовувати інші матеріали для виготовлення прозорих електродів, таких як вуглецеві нанотрубки (УНТ) [ 5 - 8 ], графена [ 9 - 11 ], і провідного полімеру [ 12 - 14 ], завдання , яка , як досягти співвідношення пропускаемость до опору листа (Rs) настільки ж високо як ITO до сих пір не може бути вирішена. Тому, багато груп прикладають зусилля на металевих нанодротів, зокрема, срібні нанопроводи. Лім і ін. [ 15 ] були піонерами срібні нанопроводи в якості електрода в сонячних елементах, а коефіцієнт пропускання нього був 89,3% з низьким РС / Кв. З тих пір, срібні плівки нанопроволок були виготовлені методом стрижневого покриття [ 16 ] і методом Шпай-покриття [ 17 ]. Таким чином, срібло нанопроволоки може бути використаний в якості заміни ITO в майбутньому. Для подальшого зменшення Rs срібла нанопроволоки плівки, Bergin і ін. [ 18 ] вивчали вплив довжини та діаметру срібних нанодротів на їх властивості. Довші нанопроводи може привести до зниження РТС за рахунок меншої кількості з'єднань між нанодротів. Таким чином, підготовка наддовгих нанодротів є нагальною проблемою. Крім збільшення довжини нанопроволоки для поліпшення його властивостей, Ху і ін. застосовується метод механічного пресування , щоб зменшити опір переходів, яке може зробити з'єднання срібла нанопроволоки ближче , що ведуть до збільшення провідності [ 19 ]. Вони також встановили, що покриття золота на плівці є ефективним способом, який може зробити поверхню срібного нанопроводи згладжувати що призводить до зменшення опору переходу. Чжу і ін. [ 20 ] використовували плазмову обробку для видалення з полімерним покриттям на поверхні срібною нанопроволоки і зварюють стики, підвищення продуктивності срібною нанопроволоки плівки. Проте, великий контактний опір internanowires як і раніше є обмеження розвитку срібних нанодротів плівок в оптоелектронних та електронних пристроїв.

Крім того, срібло нанопроволоки також можуть бути використані в якості електродів електрохімічного конденсатора. Прозорі конденсатори мають потенційне застосування при зберіганні енергії [ 21 - 23 ]. Сорель та ін. [ 24 ] підготовлений прозорий конденсатор шляхом напилення срібла нанопроволоки на полімерних плівках, які експонуються властивості конденсатора з 1,1 мкФ / см 2. Проте, в порівнянні з іншими електродами конденсатора, питома ємність була значно нижче. Сковорода та ін. [ 25 ] виявили , що наноструктурні AgO електрод показав відмінні електрохімічні властивості, і срібні нанопроводи можуть бути окислені до Ag 2 O утворюючи Ag / Ag 2 O наноструктури ядро-оболонка приелектрохімічному процесі [ 26 ]; Тому, срібло нанодротів є перспективним кандидатом електрохімічного конденсатора.

У цій статті ми підготували довгі срібні нанопроводи простим способом, описаним в нашій попередній роботі. Виходячи з цього, прозора провідна плівка (G-плівка) і електрод електрохімічного конденсатора (I-плівки) були виготовлені шляхом нанесення срібла нанопроволоки на скло або ITO, відповідно, і їх характеристики були досліджені. Обговорюється зв'язок між коефіцієнтом пропускання і Rs з G-плівки. Провідність G-плівки була підвищена за рахунок збільшення температури спікання. За допомогою циклічної вольтамперометрії та гальваноцікліческом заряд / розряд експериментів, були вивчені ємнісні властивості I-плівки, що свідчить про те, що срібло нанопроволоки має високу і стабільну електрохімічний ємність, яка може бути використана в якості матеріалу електрода електрохімічного псевдоемкості.

2. Експериментальна

Нітрат срібла (AgNO 3 + 99%), хлорид натрію (NaCl), етиленгліколь (ЕГ), концентрованої сірчаної кислоти (H 2 SO 4) і перекис водню (H 2 O 2) були придбані у Nanjing Chemical Reagent Co. , ТОВ полівінілпіролідону (ПВП, К88) був придбаний у компанії Aladdin. Оксид індію-олова (ITO), був придбаний у фірми Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd.



Морфологія і енергетичної дисперсії Спектрометр (СЕД) срібних нанодротів були виміряні за допомогою скануючого електронного мікроскопа (SEM) (Сирионом, США). У РТС срібла нанопроволоки плівки вимірювали методом чотирьох зонда за допомогою вимірника джерела Keithley 2701. UV-VIS спектри реєстрували за допомогою волоконно-оптичного спектрометра (PG2000, Ideaoptics Technology Ltd., Шанхай, Китай). Електрохімічний ємність властивість срібла нанопроволоки електрода досліджено за допомогою циклічної вольтамперометрії (CV) та гальваноцікліческом заряду вимірювання витрати води з використанням електрохімічної робочої станції (CHI 760D, CH Instruments Co., Ltd.) /.

2.1. Отримання Silver нанопроволокой

Срібний нанопроволоки був підготовлений методом , описаним в нашій попередній роботі [ 27 ]. У кожному синтезі, л мл ЕГ розчин AgNO 3 (0,9 М) і 0,6 мл ЕГ розчином NaCl (0,01 М) добавл чи в 18,4 мл ЕГ розчину PVP (0,286 М). Потім отриману суміш нагрівали зі зворотним холодильником при 185 ° С протягом 20 хв. Після вищевказаних процесів, надлишок PVP і ЕГ були вилучені шляхом додавання деионизованной води центрифугування при 14000 оборотах на хвилину протягом 10 хвилин, 3 рази.

2.2. Процедура плівок срібла на склі та ITO

Скляні та ITO підкладки обробляли сумішшю концентрованого розчину кислоти і пероксиду водню сірчаної при обробці ультразвуком протягом 30 хв, що може зробити їх гідрофільними. В цьому випадку однорідна плівка може бути отримана. Срібло нанопроводи були нанесені на скло або ITO підкладку з обробкою, за допомогою Meyer стрижня, а потім нагрівали при 150 ° С протягом 20 хв. Плівка, отримана на скляній підкладці був названий G-плівку. Зразки з 1 по 5 є G-плівки, виготовлені з 2 мМ, 1,75 мМ, 1,5 мМ, 1 мМ і 0,5 мМ розчин срібла нанопроволоки, відповідно. Плівка, отримана на ITO була названа I-фільм. Два види плівок мають різні властивості через різних субстратів.

3. Результати та обговорення

3.1. Морфологія Silver Nanowire Film

Як показано на малюнку 1 , рівномірний срібло нанопроволоки плівки було отримано з використанням Meyer стрижня. Довжина більшої срібною нанопроволоки перевищує 5 μ м, що досить довго , щоб бути підключений до мережі. На вставці на малюнку 1 є срібло нанодротів колоїдів. Колір срібних колоїдів жовтувато - білий, схожий на високоочищених колоїдів срібла нанопроволоки , отримані після фільтрації з поперечним потоком [ 28 ]. Отримання високої врожайності і довгих срібних нанодротів вивчено багатьма групами; Однак, ці реакційні процеси, як правило , складно контролювати [ 29 , 30 ]. Без точного контролю концентрації реагентів і процесу зростання, отримані срібні нанопроводи завжди з низьким виходом супроводжується великою кількістю побічних продуктів, таких як нанокубіков або наносфер, що ростуть з ізотропних насіння, який впливає на властивості срібних нанодротів плівок.

3.2. Прозора провідна плівка

Оптичний коефіцієнт пропускання в широкому діапазоні довжин хвиль, є важливою властивістю для прозорої і провідної плівки. Рис по 2 проявляє пропускання G-плівок з різною товщиною, які були виготовлені на скляних підкладках з різною концентрацією срібла нанодротів. Пропускання зразка 1 становить 13%, що є дуже низьким. Коли концентрація знизилася від 2 мм до 0,5 мм, коефіцієнт пропускання зразків показав тенденцію до збільшення, що досягає 31%, 58%, 62% і 65% відповідно. Крім того, можна бачити на малюнку 2 , що коефіцієнти пропускання Г-плівок тримати стабільною в ближній інфрачервоній областей, що має велике значення для сонячних елементів. Тим НЕ менше, коефіцієнт пропускання ITO зменшилася з 1100 нм , описаної в його плазмонного резонансного піку при довжині хвилі 1300 нм [ 19 ]. Провідність G-плівок також залежить від товщини плівки. Як показано на малюнку 2 , зі збільшенням товщини, ретрансляції з G-плівки крапель.

Як уже згадувалося у вступі, це велика проблема , щоб зменшити опір переходу срібла нанопроволоки плівки. Ми виявили , що підвищення температури спікання є поверхневим і ефективний спосіб поліпшити провідність срібла нанопроволоки плівки. Як показано в таблиці 1 , коли температура спікання становила 150 ° С, РС зразка 4 / Кв. Підвищення температури спікання до 200 ° С, РТС впав до / Кв. Оскільки PVP з покриттям на поверхні срібла нанопроволоки розкладали частково при 200 ° С, поверхні срібних нанодротів можуть з'єднати разом призводить до більш високої провідності [ 31 ]. Крім того, при 200 ° С в деяких срібні нанопроводи можуть бути приварені один до одного. Коли температура спікання становила 250 ° С, ПВП практично вилучені і більшість з'єднань між сріблом нанодротів були розплавлені в результаті чого нижерасположенной ретрансляційні з / Кв, який можна побачити на малюнку 3 (а) . Коли температура спікання 300 ° С, хоча деякі з срібних нанодротів були зламані, фільм до сих пір була провідна мережа з нижерасположенной ретрансляційні станцією ( / Кв.м) , показаної на малюнку 3 (б) . Однак, коли тонше зразок 5 обпалювали при 300 ° С, багато срібні нанопроводи були зламані ведуть до непроводящей плівки , яку можна побачити на малюнку 3 (г) . При 400 ° C, срібні нанопроводи зразка 4 були майже зламані (на малюнку 3 (с) ). У відповідності з ( 1 ) [ 20 ], ми можемо обчислити який може оцінити продуктивність прозорою провідна плівка, тим вище означає більш високе відношення коефіцієнта пропускання до РТС. з зразка 4 після того, як обробляли при 300 ° С був 116,5, що вище , ніж у вуглецевих нанотрубок [ 32 , 33 ] і графені [ 34 ]. Таким чином, G-плівки мають потенційне застосування на оптико - електронних приладів:

3.3. Електрод електрохімічний конденсатор

Циклічної вольтамперометрії використовується для оцінки електрохімічних властивостей I-плівки. Всі ці електрохімічні вимірювання проводять в 1,0 М KOH з використанням системи з трьох електродів. На малюнку 4 показано CV криві I-плівкового електроду при швидкості сканування від 10 до 100 мВ с -1. CV крива I-плівки експонатів, безумовно, різні ємності властивості з ємності подвійного електричного шару, який має прямокутну криву CV. Distinct окислювально - відновний пік можна бачити з малюнка 4 в прикладному потенціалі від -0,5 до 0,5 В по порівнянні з Hg / HgO в результаті окислювально - відновної реакції між Ag і Ag 2 O [ 35 ] , як описано ( 2 ). Ємність I-плівки при різних швидкостях сканування може бути оцінена по площі замкнутого кола. Зміни в ємності при різних швидкостях сканування результатом, що при низьких швидкостях сканування; дифузія іонів по всій реакційній системі необмежена призводить до повного використання срібної нанопроволоки в якості електрода, в той час як при високих швидкостях сканування, ємність виконує двошарову або НЕ-фарадіческій поведінку так, що срібло не повністю окислюється або відновлюється, що призводить до зменшення з ємності [ 36 ]. Результати показують, що I-фільм показує відмінні електрохімічні характеристики псевдоемкості і хорошою оборотності під час процесу зарядки / розрядки:

Як правило, срібло відчуває звернену окислювально - відновного потенціалу в лужних умовах. На першому етапі, Ag електрохімічних окислюється до Ag 2 O шляхом , В результаті чого молекули води і два електрона. У зворотному напрямку, молекула води була розділена на і , Так що Ag 2 O може бути зменшена до Ag шляхом догляд , В результаті, срібні нанопроводи були перетворені в Ag / Ag 2 O ядро-оболонка наноструктури як показано на рисунку 5 (а) показав. Для виявлення виробництва Ag 2 O в перебіг процесу, то СЕД з великим розміром плями (приблизно 5 μ м) була виконана. На малюнку 5 (б) , ми можемо бачити відсотки елементів. СЕД спектра показує , що рівень атомів між Ag і O менше двох. Причина полягає в тому, що джерела кисню з Ag 2 O і PVP , який покритий на поверхні срібних нанодротів, а ядро срібних нанодротів ще Ag елемент. Таким чином, результат експерименту узгоджується з теорією і демонструє форму Ag 2 O / Ag наноструктури типу ядро-оболонка в процесі зарядки / розрядки.

Існує лінійна залежність між швидкістю сканування і відповідного струму в відповідно до ( 3 ) [ 37 ], де це струм розряду (мА); є ємність; є швидкість сканування циклічної вольтамперометрії. Доданий площа циклічної кривої вольтамперометрии може бути використаний для оцінки електрохімічний ємність. питома ємність розраховується з використанням ( 4 ), де це область активного матеріалу (см 2):

Гальваностатичного експерименти заряду / розряду проводять при потенційному вікна від -0,5 до 0,5 В , щоб вивчити питома ємність I-плівки. На малюнку 6 показані криві гальваноцікліческом заряду / розряду з I-плівки при щільності струму від 0,5 до 6 мА см -2. Як видно з таблиці 2 показав, питома ємність I-плівки збільшилася з 42,2 до 41,76 мФ / см 2 при щільності струму збільшилася з 0,5 до 3,0 мА / см 2, що становить лише 1% розпад. Тим НЕ менше, питома ємність I-плівки різко знизилася до 27 мкФ / см 2 при 6,0 мА / см 2. Причина полягає в тому, що результати більшою щільності струму в більш короткі терміни окислювально - відновлювальних між Ag / Ag 2 O, так що іони не вистачає часу , щоб дифундувати з електроліту і інтерфази [ 26 ]. Крім того, поверхня нанодротів покрита PVP, які також мають вплив на швидкість заряду / розряду [ 38 ]. На малюнку 7 представлені , що збереження ємності I-плівки при щільності струму 6 мА / см 2 може досягати 94,2% від початкового значення після 100 циклів. В результаті електрод I-плівка має хорошу стабільність під час безперервного циклу.

4. Висновки

G-фільм, і я-плівка була виготовлена шляхом нанесення срібних нанодротів на склі та ITO, відповідно. Пропускання G-плівки збільшується зі зменшенням товщини G-плівки, і провідність може бути підвищена за рахунок збільшення температури спікання приписуваний ВИДАЛИТИ полівінілпіролідону і звареному шві стиках срібних нанодротів. Результати показали, що G-плівка мала більш високе відношення коефіцієнта пропускання до РТС, ніж у вуглецевих нанотрубок і графена, який є перспективним заміна ITO застосовується в оптико-електронних областях. Крім того, CV криві I-плівки при різних швидкостях сканування мали очевидні окислювально-відновні піки, що вказують на його гарну продуктивність електрохімічної псевдоемкості і хорошою оборотності під час процесу зарядки / розрядки. Через гальваностатичного експериментів заряд / розряд, можна бачити, що питома ємність I-плівки залежить від щільності струму, а також I-шар має високу електрохімічної стабільністю. При низькій щільності струму, розпад питомої ємності може бути проігноровано в той час як, при високій щільності струму, питома ємність різко згасає через коротке часу для дифузії іонів. Тому, срібні нанопроводи мають великий потенціал застосування в оптоелектронних пристроях.

конфлікт інтересів

Автори заявляють, що немає ніякого конфлікту інтересів щодо публікації даної статті.

вираз вдячності

Ця робота підтримується NSFC в рамках гранту немає. 61307066, Докторська фонд Міністерства освіти Китаю по грантам Nos. 20110092110016 і 20130092120024, фонд природних наук провінції Цзянсу в рамках гранту немає. BK20130630, Національна програма фундаментальних досліджень Китаю (973 програма) в рамках гранту немає. 2011CB302004, і Фонд Ключові лабораторії Micro-інерційної інструменту і удосконаленою технологією навігації, Міністерство освіти, Китай, в рамках гранту немає. 201204.



Пара:Провідні чорнило в 2017 році: Наступний великі речі Наступний:срібло наночастинками