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Applicazioni di argento Nanofili su Trasparente Film Conduzione e l'elettrodo di elettrochimica condensatore

Astratto

Nanofili d'argento ha potenziali applicazioni su pellicola conduttiva trasparente ed elettrodo del condensatore elettrochimico grazie alla sua eccellente conduttività. Pellicola conduttiva trasparente (G-film) è stato preparato da rivestimento nanofili d'argento su substrato di vetro con il metodo dell'asta Meyer, che ha esibito prestazioni migliori rispetto nanotubi di carbonio e grafene. La conducibilità del G-film può essere migliorata aumentando la temperatura di sinterizzazione. Elettrodo del condensatore elettrochimico (I-film) è stato fabbricato con lo stesso metodo con G-pellicola di ossido di indio stagno (ITO). Curve CV di I-film sotto diverse velocità di scansione hanno avuto picchi redox evidenti, che ha indicato che a film esibito prestazioni eccellenti pseudocapacitance elettrochimica e buona reversibilità durante il processo di carica / scarica. Inoltre, la capacità specifica di I-film è stato misurato mediante esperimenti di carica / scarica galvanostatico, indicando che film presenta una elevata capacità speciale ed eccellente stabilità elettrochimica.

1. Introduzione

Negli ultimi anni, nanomateriali metalli nobili, nanomaterial soprattutto argento diventano il centro della ricerca a causa delle loro proprietà fisiche e chimiche uniche, che è stato ampiamente utilizzato nella catalisi [ 1 ], ottici, elettrici [ 2 , 3 ], e antibatterica [ 4 ] le zone. Tra queste diverse nanostrutture d'argento, nanowire ha attirato le forze intense a causa della sua elevata conducibilità dc e trasmittanza ottica. Come dispositivi optoelettronici diventano più piccoli e leggeri, vi è una crescente necessità di elettrodi trasparenti efficienti. Il materiale più comune di elettrodi trasparenti è l'ossido di indio e stagno (ITO); tuttavia, ITO non può tenere il passo con lo sviluppo di dispositivi optoelettronici a causa del suo costo elevato, fragilità, e il processo di preparazione critica. Anche se le persone hanno cercato di utilizzare altri materiali per fabbricare elettrodi trasparenti, come i nanotubi di carbonio (CNT) [ 5 - 8 ], grafene [ 9 - 11 ], e polimero conduttore [ 12 - 14 ], il problema che come raggiungere il rapporto di trasmittanza di resistenza dello strato (Rs) alto come ITO ancora non può essere risolto. Pertanto, molti gruppi mettono sforzi su nanofili metallici, in particolare i nanofili d'argento. Leem et al. [ 15 ] hanno sperimentato nanofili d'argento come elettrodo nelle celle solari, e la trasmittanza di era 89,3% con un basso Rs di / Mq. Da allora, i film nanofili d'argento sono state fabbricate con la tecnica asta-coating [ 16 ] e il metodo spay-coating [ 17 ]. Pertanto, nanofili argento può essere utilizzato in sostituzione di ITO in futuro. Al fine di ridurre ulteriormente i Rs della pellicola d'argento nanofilo, Bergin et al. [ 18 ] hanno studiato gli effetti della lunghezza e diametro di nanofili argento sulle loro proprietà. nanofili più lunghi possono causare Rs inferiori a causa di un minor numero di connessioni tra nanofili. Pertanto, la preparazione di nanofili Ultralungo è una questione urgente. Oltre ad aumentare la lunghezza del nanofilo per migliorarne le proprietà, Hu et al. applicato metodo meccanico pressione per ridurre la resistenza di giunzioni, che può rendere il collegamento di nanofili argento vicina leader all'aumento della conducibilità [ 19 ]. Hanno anche scoperto che il rivestimento d'oro sulla pellicola è un modo efficiente, che può rendere la superficie liscia nanofili argento che porta alla diminuzione della resistenza di giunzione. Zhu et al. [ 20 ] usato trattamento al plasma per rimuovere il polimero rivestito sulla superficie di nanofili argento e saldate le giunzioni, migliorando le prestazioni della pellicola nanofili argento. Tuttavia, la grande resistenza di contatto di internanowires è ancora una limitazione dello sviluppo di pellicole nanofili argento in dispositivi optoelettronici ed elettronici.

Inoltre, nanowire argento può essere utilizzato anche come elettrodi del condensatore elettrochimico. Condensatori trasparenti hanno un potenziale applicazione sul deposito di energia [ 21 - 23 ]. Sorel et al. [ 24 ] preparato condensatore trasparente da nanofili d'argento a spruzzo rivestimento su film polimerici, che esibivano le proprietà del condensatore con 1,1 uF / cm 2. Tuttavia, rispetto ad altri elettrodi del condensatore, la capacità specifica era molto inferiore. Pan et al. [ 25 ] ha rilevato che l'elettrodo AgO nanostrutturati ha mostrato eccellenti proprietà elettrochimiche, e nanofili d'argento può essere ossidato a Ag 2 O formando Ag / Ag 2 O nanostrutture core-shell durante il processo elettrochimico [ 26 ]; Pertanto, nanowire d'argento è un candidato promettente del condensatore elettrochimico.

In questo lavoro, abbiamo preparato nanofili d'argento lunghi con un metodo semplice riportato nel nostro precedente lavoro. Sulla base di questo, pellicola conduttiva trasparente (G-film) e l'elettrodo del condensatore elettrochimico (I-film) sono state realizzate da rivestimento nanofili d'argento su, rispettivamente, di vetro o di ITO, e le loro caratteristiche sono stati studiati. Il rapporto tra trasmittanza e Rs di G-film è stato discusso. La conducibilità del G-film è migliorata aumentando la temperatura di sinterizzazione. Con voltammetria ciclica e carica galvanostatico / esperimenti scarica, le proprietà condensatore di I film sono stati studiati, indicando che nanowire argento ha elevata e stabile capacità elettrochimico che può essere utilizzato come materiale di elettrodo pseudocapacitance elettrochimica.

2. Sperimentale

Nitrato d'argento (AgNO3 99 +%), cloruro di sodio (NaCl), glicole etilenico (EG), acido solforico concentrato (H 2 SO 4), e perossido di idrogeno (H 2 O 2) sono stati tutti acquistati da Nanjing Chemical Reagent Co. , Ltd. polivinilpirrolidone (PVP, K88) è stato acquistato da Aladdin. ossido di indio-stagno (ITO) è stato acquistato da Nanjing Agenti chimici Co., Ltd.



Le morfologie e dispersione di energia Spectrometer (EDS) di nanofili d'argento sono stati misurati mediante microscopio elettronico a scansione (SEM) (SIRION, Stati Uniti d'America). Rs di pellicola nanofili d'argento è stata misurata con la tecnica a quattro sonda con un misuratore di fonte Keithley 2701. UV-vis gli spettri sono stati registrati da uno spettrometro in fibra ottica (PG2000, Ideaoptics Technology Ltd., Shanghai, Cina). Proprietà capacità elettrochimica dell'elettrodo nanofilo argento è indagato attraverso voltammetria ciclica (CV) e la carica galvanostatico / misurazioni scarica utilizzando una stazione di lavoro elettrochimico (CHI 760D, CH Instruments Co., Ltd.).

2.1. Preparazione di Silver Nanofili

Nanofili d'argento è stato preparato con il metodo riportato nel nostro precedente lavoro [ 27 ]. In ogni sintesi, l mL di soluzione EG di Agno 3 (0,9 M) e 0,6 mL di soluzione EG di NaCl (0,01 M) sono stati aggiunti in 18,4 mL di soluzione EG di PVP (0,286 M). Poi la miscela è stata scaldata a riflusso a 185 ° C per 20 min. Dopo i suddetti processi, l'eccesso PVP e EG sono stati rimossi per centrifugazione aggiungendo acqua deionizzata a 14000 rpm per 10 minuti, 3 volte.

2.2. Procedura di Silver film su vetro e ITO

I substrati di vetro e ITO sono stati trattati dalla soluzione miscela di perossido concentrato di acido solforico e idrogeno in ultrasuoni per 30 minuti, che può rendere idrofila. In questo caso, pellicola uniforme può essere ottenuta. nanofili d'argento sono stati rivestiti su vetro o substrato ITO con il trattamento, utilizzando un'asta Meyer, e poi riscaldato in 150 ° C per 20 min. Il film ottenuto sul substrato di vetro è stato chiamato G-film. Campioni da 1 a 5 sono G-pellicole prodotte con 2 mM, 1,75 mM, 1,5 mM, 1 mM e 0,5 mM soluzione nanofili argento rispettivamente. Il film ottenuto sulla ITO è stato chiamato I-film. I due tipi di film hanno proprietà diverse a causa di diversi substrati.

3. Risultati e discussioni

3.1. Morfologia di Silver Nanowire Film

Come mostrato in figura 1 , uniforme pellicola d'argento nanofili è stato preparato utilizzando un'asta Meyer. La lunghezza di più nanofili argento supera 5 μ m, che è abbastanza lungo per essere collegati in una rete. L'inserto in figura 1 è colloidi nanofili argento. Il colore dei colloidi argento è bianco giallastra, simile ai colloidi argento nanofili altamente purificati ottenuti dopo filtrazione tangenziale [ 28 ]. Preparazione di alto rendimento e nanofili d'argento lunghi è stato studiato da molti gruppi; tuttavia, questi processi di reazione sono generalmente complessi o difficili da controllare [ 29 , 30 ]. Senza un controllo preciso delle concentrazioni dei reagenti e processo di crescita, i nanofili d'argento ottenuti sono sempre a bassa resa accompagnato da grandi quantità di sottoprodotti quali nanocubi o nanosfere crescono da semi isotropi, che influenza le proprietà dei film nanofili d'argento.

3.2. Trasparente Film Condurre

trasmittanza ottica su una vasta gamma di lunghezze d'onda è una proprietà importante per la pellicola trasparente e conduttivo. Figura 2 mostra le trasmittanze di G-film con spessori diversi, che sono stati fabbricati su substrati di vetro con diverse concentrazioni di nanofili argento. La trasmittanza del campione 1 è del 13%, che è molto basso. Quando la concentrazione è diminuito da 2 mM e 0,5 mM, la trasmittanza di campioni ha mostrato una tendenza crescente raggiungendo il 31%, 58%, 62% e 65% rispettivamente. Inoltre, si può vedere in Figura 2 che le trasmittanze di G-films mantengono stabile nel vicino infrarosso regioni, che è importante per celle solari. Tuttavia, la trasmittanza di ITO è diminuito da 1100 nm descritto la sua risonanza plasmonica picco a 1300 nm [ 19 ]. La conducibilità del G-film è influenzata anche dallo spessore della pellicola. Come mostrato in figura 2 , con l'aumento dello spessore, Rs di G-pellicola gocce.

Come accennato nell'introduzione, è un grosso problema per diminuire la resistenza di giunzione del film di nanofili argento. Abbiamo trovato che aumentando la temperatura di sinterizzazione è un modo facile ed efficace per migliorare la conducibilità della pellicola nanofili argento. Come indicato nella tabella 1 , quando la temperatura di sinterizzazione è 150 ° C, i Rs di campione 4 è stato / mq. L'aumento della temperatura di sinterizzazione a 200 ° C, i Rs è sceso a / mq. Poiché il PVP rivestito sulla superficie di nanofili argento è stato decomposto parzialmente a 200 ° C, le superfici di nanofili d'argento possono collegarsi insieme garantendo una maggiore conducibilità [ 31 ]. Inoltre, a 200 ° C alcuni nanofili d'argento possono essere saldati insieme. Quando la temperatura di sinterizzazione era di 250 ° C, PVP è stato quasi rimosso e la maggior parte delle giunzioni tra nanofili d'argento erano fuse conseguente Rs inferiori con / mq, che può essere visto in Figura 3 (a) . Quando la temperatura di sinterizzazione era di 300 ° C, anche se alcuni di nanofili argento erano rotte, la pellicola era ancora una rete conduttiva con Rs inferiori ( / mq) mostrato nella Figura 3 (b) . Tuttavia, quando campione diluente 5 è stato sinterizzato a 300 ° C, molti nanofili argento erano rotte portando a pellicola non conduttivo che può essere visto in Figura 3 (d) . A 400 ° C, i nanofili argento di campione 4 erano quasi rotti (nella Figura 3 (c) ). Secondo ( 1 ) [ 20 ], possiamo calcolare che possono valutare le prestazioni della pellicola conduttiva trasparente, maggiore intende il più alto rapporto di trasmissione a Rs. Il di campione 4 dopo trattamento a 300 ° C era 116,5 che è superiore a quella del nanotubo di carbonio [ 32 , 33 ] e grafene [ 34 ]. Pertanto, G-film hanno un potenziale applicazione sui dispositivi optoelettronici:

3.3. Elettrodi di elettrochimica condensatore

La voltammetria ciclica viene utilizzato per valutare le proprietà elettrochimiche di I-film. Tutte queste misure elettrochimiche vengono condotte in 1.0 M KOH utilizzando un sistema a tre elettrodi. Figura 4 mostrava curve CV di elettrodi I film ad una velocità di scansione da 10 a 100 mV s -1. La curva CV di mostre I film decisamente diverso proprietà di capacità di elettrica capacità doppio strato che ha la curva CV rettangolare. Distinct picco redox può vedere dalla figura 4 nel potenziale applicata da -0.5 a 0,5 V rispetto Hg / HgO risultante dalla reazione redox tra Ag e Ag 2 O [ 35 ] come descritto ( 2 ). La capacità di I film a velocità di scansione differenti può essere stimato mediante l'area del cerchio chiuso. Cambiamenti nella capacità a differenti frequenze di scansione derivarne a velocità di scansione bassi; la diffusione di ioni attraverso il sistema di reazione è illimitata portando ad utilizzare pienamente nanofili argento come elettrodo, mentre a velocità di scansione elevate, la capacità esegue doppio strato o comportamento non Faradica modo che l'argento non è completamente ossidato o ridotto con conseguente diminuzione della capacità [ 36 ]. I risultati indicano che I-film mostra eccellenti prestazioni pseudocapacitance elettrochimica e buona reversibilità durante il processo di carica / scarica:

Solitamente, argento sperimenta una redox invertita in una condizione alcalina. Nella prima fase, Ag è elettrochimicamente ossidato a Ag 2 O by , Lasciando una molecola d'acqua e due elettroni. In direzione opposta, una molecola di acqua è stato separato in e , Cosicché Ag 2 O può essere ridotto a Ag in partenza . Come risultato, nanofili d'argento furono trasformati in Ag / Ag 2 O nanostrutture core-shell della Figura 5 (a) hanno mostrato. Per rilevare la produzione di Ag 2 O durante il processo, la EDS con spot di grandi dimensioni (circa 5 μ m) è stata eseguita. Nella Figura 5 (b) , possiamo vedere le percentuali di elementi. Spettro EDS esposto che il rapporto tra atomi Ag e O è inferiore a due. La ragione è che le fonti di ossigeno sono da Ag 2 O e PVP che è coperto sulla superficie di nanofili argento, e il nucleo di nanofili argento è ancora elemento Ag. Così, il risultato dell'esperimento è coerente con la teoria e dimostra la forma di Ag 2 O / Ag core-shell nanostrutture durante il processo di carica / scarica.

Esiste una relazione lineare tra la frequenza di scansione e la corrente di risposta secondo ( 3 ) [ 37 ], dove è la corrente di scarica (mA); è la capacità; è la frequenza di scansione del voltammetria ciclica. L'area racchiusa della curva voltammetria ciclica può essere utilizzato per stimare la capacità elettrochimica. La capacità specifica è calcolata usando ( 4 ), dove è l'area del materiale attivo (cm 2):

Gli esperimenti di carica / scarica galvanostatico sono condotti ad un potenziale finestra da -0.5 a 0,5 V per studiare la capacità specifica di I-film. La figura 6 mostra i galvanostatico curve di carica / scarica della I film ad una densità di corrente dal 0,5 al 6 mA cm -2. Come Tavola 2 mostrato, la capacità specifica di I film aumentata dal 42.2 al 41.76 mF / cm 2 quando la densità di corrente passata da 0,5 a 3,0 mA / cm 2, che è solo 1% decadimento. Tuttavia, la capacità specifica di I film fortemente diminuita a 27 mF / cm 2 sotto 6,0 mA / cm 2. La ragione è che i risultati densità di corrente più grandi in minor tempo di redox tra Ag / Ag 2 O, in modo che gli ioni non hanno abbastanza tempo per diffondere da elettrolita e l'interfase [ 26 ]. Inoltre, la superficie di nanofili è coperta da PVP, che hanno anche effetto sul tasso di carica / scarica [ 38 ]. Figura 7 presenta che il mantenimento della capacità di I film ad una densità di corrente di 6 mA / cm 2 può raggiungere 94,2% del valore iniziale dopo 100 cicli. Come risultato, l'elettrodo I-film ha una buona stabilità durante i cicli continui.

4. Conclusioni

G-pellicola e film sono stati fabbricati rivestendo nanofili d'argento su vetro e ITO, rispettivamente. La trasmittanza di G-pellicola aumenta con la diminuzione dello spessore del G-film, e la conduttività può essere migliorata aumentando la temperatura di sinterizzazione attribuito alla rimozione di PVP e saldatura di giunzioni di nanofili argento. I risultati hanno mostrato che il G-film aveva più alto rapporto di trasmissione a Rs da quella del nanotubo di carbonio e grafene, che è un sostituto promettente ITO applicato nelle aree optoelettronici. Inoltre, le curve CV di I-film sotto diverse velocità di scansione avevano evidenti picchi di ossidoriduzione che indicano la sua buona prestazione di pseudocapacitance elettrochimica e buona reversibilità durante il processo di carica / scarica. Attraverso esperimenti di carica / scarica galvanostatico, si può notare che la capacità specifica di I film dipende dalla densità di corrente, e I-pellicola presenta una elevata stabilità elettrochimica. A basse densità di corrente, il decadimento della specifica capacità può essere ignorata mentre, ad alta densità di corrente, la capacità specifica decaduto notevolmente a causa del tempo breve per la diffusione di ioni. Pertanto, nanofili d'argento hanno grandi potenziali applicazioni in dispositivi optoelettronici.

Conflitto d'interessi

Gli autori dichiarano che non vi è alcun conflitto di interessi per quanto riguarda la pubblicazione di questo documento.

Ringraziamenti

Questo lavoro è sostenuto da NSFC sotto concessione n. 61307066, Fondo di Dottorato del Ministero della Pubblica Istruzione della Cina sotto Grants nn. 20110092110016 20130092120024 e, Scienze Naturali Fondazione della provincia di Jiangsu in concessione n. BK20130630, il Programma nazionale di ricerca di base della Cina (973 Program) in concessione n. 2011CB302004, e la Fondazione di Key Laboratorio di Micro-inerziale strumento e la tecnologia di navigazione avanzata, Ministero della Pubblica Istruzione, la Cina, sotto concessione n. 201204.



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