Anvendelser av Silver Nanowires på Transparent Gjennomføring Film og elektrode av Elektrokjemisk Capacitor

- Mar 06, 2017-

Abstrakt

Silver nanowire har potensielle bruksområder på gjennomsiktig ledende film og elektrode for elektro kondensator på grunn av sin utmerkede ledningsevne. Gjennomsiktig ledende film (G-film) ble fremstilt ved å belegge sølvnanotråder på glassubstrat ved hjelp av Meyer stang metoden, som oppviste bedre ytelse enn karbon nanorør og graphene. Ledningsevnen av G-film kan forbedres ved å øke sintringstemperaturen. Elektrode for elektrokjemisk kondensator (I-film) ble fremstilt ved den samme metode med G-film på indiumtinnoksid (ITO). CV kurver av I-film under forskjellige skanning priser hadde åpenbart redox topper, som indikerte at jeg-film utstilt utmerket elektro pseudocapacitance ytelse og god reversibilitet under lading / utlading prosessen. I tillegg ble den spesifikke kapasitansen til I-film målt ved hjelp av galvano lade / utladnings eksperimenter, noe som indikerer at I-film oppviser høy spesiell kapasitans og god elektrokjemisk stabilitet.

1. Introduksjon

I de senere årene, edelmetall nanomaterialer, spesielt sølv nanomaterialer blitt fokus for forskning på grunn av deres unike fysiske og kjemiske egenskaper, som har blitt mye brukt i katalyse [ 1 ], optiske, elektriske [ 2 , 3 ], og antibakteriell [ 4 ] områder. Blant disse ulike sølv nanostrukturer, har nanowire tiltrukket intense krefter på grunn av sin høye dc ledningsevne og optisk transmisjon. Som optoelektroniske anordninger blitt mindre og lettere, er det et økende behov for effektive transparente elektroder. Det vanligste materiale av gjennomsiktige elektrodene er indiumtinnoksid (ITO); Men ITO kan ikke holde tritt med utviklingen av optiske enheter på grunn av sin høye kostnader, sprøhet, og kritisk forberedelsesprosessen. Selv om folk har prøvd å bruke andre materialer for å dikte transparente elektroder, for eksempel karbon nanorør (CNTs) [ 5 - 8 ], graphene [ 9 - elleve ], og gjennomføre polymer [ tolv - fjorten ], problemet som hvordan man skal oppnå forholdet mellom transmittans til ark motstand (Rs) så høyt som ITO fremdeles kan ikke løses. Derfor er det mange grupper satt innsats på metalliske nanotråder, spesielt sølv nanotråder. Leem et al. [ 15 ] har pioner sølv nanotråder som elektroden i solceller, og transmisjon av det var 89,3% med lave Rs av / Kvm. Siden da har sølv nanowire filmer blitt fabrikkert av stang-belegg teknikk [ 16 ] og spay-belegg metoden [ 17 ]. Derfor kan sølv nanowire kan brukes som en erstatning av ITO i fremtiden. For ytterligere å redusere Rs sølvnanowire film, Bergin et al. [ 18 ] har studert effekten av lengden og diameteren av sølvnanotråder på deres egenskaper. Lengre nanotråder kan resultere i lavere Rs grunn av færre forbindelser mellom nanotråder. Derfor er utarbeidelsen av ultralong nanotråder et presserende problem. Bortsett fra å øke lengden på nanowire for å forbedre dets egenskaper, Hu et al. tilførte mekaniske trykk metode for å redusere motstanden i veikryss, noe som kan gjøre tilkobling av sølvnanotråder nærmere fører til økning av ledningsevnen [ 19 ]. De fant også at belegning gull på filmen er en effektiv måte, noe som kan gjøre overflaten av sølv nanowire glatt som fører til minskning av koblingsmotstanden. Zhu et al. [ 20 ] anvendes plasmabehandling for å fjerne den polymer som er belagt på overflaten av sølv nanowire og sveiset knutepunktene, forbedre ytelsen til sølv nanowire film. Imidlertid er det store kontaktmotstanden av internanowires fremdeles en begrensning av utviklingen av sølvnanowire filmer i optoelektroniske og elektroniske enheter.

I tillegg kan sølv nanowire også anvendes som elektroder i elektrokjemiske kondensatorer. Transparent kondensatorer har potensiell anvendelse på energilagring [ 21 - tjuetre ]. Sorel et al. [ 24 ] utarbeidet gjennomsiktig kondensator med spraymaling av sølv nanotråder på polymerfilmer, som viste kondensator eiendommer med 1,1 uF / cm 2. Men sammenlignet med de andre elektrodene i kondensatoren, den spesifikke kapasitans var mye lavere. Panorere et al. [ 25 ] fant at nanostrukturerte AgO elektrode viste gode elektrokjemiske egenskaper, og sølvnanotråder kan oksyderes til Ag 2 O dannende Ag / Ag 2 O kjerne-skallnanostrukturer under den elektrokjemiske prosess [ 26 ]; Derfor er sølv nanowire en lovende kandidat for elektro kondensator.

I denne artikkelen har vi utarbeidet lange sølv nanotråder av en enkel metode rapportert i vårt tidligere arbeid. Basert på dette, transparent ledende film (G-film) og elektrode for elektro kondensator (I-film) ble fabrikkert av belegg sølv nanotråder på glass eller ITO, henholdsvis, og deres egenskaper ble undersøkt. Forholdet mellom transmisjon og Rs av G-film ble diskutert. Ledningsevnen av G-film ble forbedret ved å øke sintringstemperaturen. Ved syklisk voltametri og galvano lade / utladnings forsøk ble kondensatoren egenskapene til I-film undersøkt, noe som indikerer at sølv nanowire har høy og stabil elektrokjemisk kapasitet som kan anvendes som materiale i elektrode for elektrokjemisk pseudocapacitance.

2. Forsøks

Sølvnitrat (AGNO 3 99 +%), natriumklorid (NaCl), etylenglykol (EG), konsentrert svovelsyre (H 2 SO 4), og hydrogenperoksyd (H 2 O 2) ble alle innkjøpt fra Nanjing Chemical Co. Reagens Ltd Polyvinylpyrrolidon (PVP, K88) ble kjøpt fra Aladdin. Indium tinn oksid (ITO) ble kjøpt fra Nanjing Chemical Reagens Co, Ltd



Den morfologi og energi dispersive Spectrometer (EDS) av sølv nanotråder ble målt ved hjelp av skanning elektronmikroskop (SEM) (SIRION, USA). RS sølv nanowire film ble målt ved fire-sonde teknikk med Keithley 2701 kilde meter. UV-vis spektrene ble registrert av en fiberoptisk spektrometer (PG2000, Ideaoptics Technology Ltd, Shanghai, Kina). Elektrokjemisk kapasitans eiendom av sølv nanowire elektroden er undersøkt gjennom syklisk voltammetry (CV) og galvano lade / utlading målinger ved hjelp av en elektrokjemisk arbeidsstasjon (CHI 760D, CH Instruments Co., Ltd.).

2,1. Utarbeidelse av Silver Nanowires

Sølv nanowire ble fremstilt ved fremgangsmåten rapportert i vårt tidligere arbeid [ 27 ]. I hver syntese, ble l ml EG oppløsning av AGNO 3 (0,9 M) og 0,6 ml EG løsning av NaCl (0,01 M) tilsatt til 18,4 ml EG løsning av PVP (0,286 M). Deretter ble blandingen tilbakeløpskokt ved 185 ° C i 20 min. Etter de ovennevnte fremgangsmåter, ble det overskytende PVP og EG fjernet ved tilsetning av deionisert vann sentrifugering ved 14 000 rpm i 10 min, 3 ganger.

2,2. Prosedyre for sølv film på glass og ITO

Glasset og ITO substrater ble behandlet med blandet løsning av konsentrert svovelsyre og hydrogenperoksyd i henhold til ultralydbehandling i 30 minutter, noe som kan gjøre dem hydrofile. I dette tilfelle kan oppnås jevn film. Sølvnanotråder ble belagt på glass eller ITO substrat med behandlingen, ved hjelp av Meyer stang, og deretter oppvarmet i 150 ° C i 20 min. Den oppnådde på glassubstratet film ble kalt G-film. Prøvene 1 til 5 er G-filmer fremstilt med 2 mM, 1,75 mM, 1,5 mM, 1 mM og 0,5 mM sølv nanotråder løsning, henholdsvis. Den oppnådde på ITO film ble kåret til I-film. De to typer filmer har forskjellige egenskaper på grunn av forskjellige substrater.

3. Resultater og Diskusjon

3,1. Morfologi Silver nanowire Film

Som vist i figur 1 , ble ensartet sølvnanowire film fremstilt ved anvendelse av Meyer stang. Lengden av de sølvnanowire stiger 5 μ m, noe som er lenge nok til å være koblet til et nettverk. Det innfelte i figur 1 er sølv nanowire kolloider. Fargen på sølv kolloider er gulaktig hvit, i likhet med de svært rensede sølvnanowire kolloider som oppnås etter tverrstrømsfiltrering [ 28 ]. Utarbeidelse av høy avkastning og lange sølv nanotråder har blitt studert av mange grupper; imidlertid, disse reaksjonsprosesser er vanligvis komplisert eller vanskelig å kontrollere [ 29 , 30 ]. Uten nøyaktig styring av reaktant-konsentrasjoner og vekstprosess, de oppnådde sølvnanotråder alltid er i lavt utbytte ledsaget av store mengder biprodukter som for eksempel nanocubes eller nanosfærer som vokser fra isotrope frø, som påvirker egenskapene til sølvnanowire filmer.

3,2. Transparent Gjennomføre Film

Optisk transmisjon over et stort bølgelengdeområde er en viktig egenskap for gjennomsiktig og ledende film. Figur 2 viser den transmitt av G-filmer med forskjellige tykkelser, som ble fabrikkert på glass underlag med ulike konsentrasjoner av sølv nanotråder. Transmisjonen til prøven 1 er 13%, noe som er meget lav. Når konsentrasjonen ble redusert fra 2 mM til 0,5 mM, transmittansen av prøvene viste en økende tendens til å nå 31%, 58%, 62% og 65%, respektivt. I tillegg, kan det sees på figur 2 at transmittanser til G-filmer holde stabilt i det nær-infrarøde områder, noe som er viktig for solceller. Imidlertid transmittans av ITO ble redusert fra 1100 nm er beskrevet i sin plasmonresonans topp ved 1300 nm [ 19 ]. Ledningsevnen av G-filmer er også påvirket av tykkelsen av filmen. Som vist i figur 2 , sammen med økningen av tykkelsen, Rs fra G-film dråper.

Som nevnt innledningsvis, er det et stort problem å redusere kryss motstanden av sølv nanowire film. Vi fant at ved å øke sintringstemperaturen er en lettvint og effektiv måte for å forbedre ledningsevnen av sølv nanowire film. Som vist i tabell 1 , når sintringstemperaturen var 150 ° C, Rs ifølge eksempel 4 var / kvm. Økende sintringstemperatur til 200 ° C, Rs falt til / kvm. Fordi PVP belagt på overflaten av sølv nanotråder ble nedbrutt delvis ved 200 ° C, kan overflater av sølv nanotråder koble sammen fører til høyere ledningsevne [ 31 ]. I tillegg, ved 200 ° C noen sølv nanotråder kan sveises sammen. Når sintringstemperaturen var 250 ° C, PVP ble nesten fjernet, og de fleste av overgangene mellom sølvnanotråder ble smeltet som resulterer i de lavere Rs med / kvm, som kan sees i figur 3 (a) . Når sintringstemperaturen var 300 ° C, selv om noen av sølv nanotråder ble brutt, filmen fortsatt var et ledende nettverk med lavere Rs ( / kvm) som er vist i figur 3 (b) . Når imidlertid tynnere prøve 5 ble sintret ved 300 ° C, ble mange sølvnanotråder fordelt som fører til ikke-ledende film som kan ses i figur 3 (d) . Ved 400 ° C ble sølvnanotråder av prøve 4 nesten brutt (i figur 3 (c) ). I henhold til ( 1 ) [ 20 ], kan vi beregne som kan evaluere resultatene av gjennomsiktig ledende film, jo høyere betyr høyere andel av transmisjon til Rs. De av prøve 4 etter behandlet ved 300 ° C ble 116,5 som er høyere enn den for karbon nanorør [ 32 , 33 ] og graphene [ 34 ]. Derfor G-filmer har potensial program på optiske enheter:

3,3. Elektrode av Elektrokjemisk Capacitor

Den sykliske voltammetry benyttes for å vurdere de elektrokjemiske egenskapene til I-film. Alle disse elektrokjemiske målinger blir utført i 1,0 M KOH ved hjelp av et tre-elektrodesystem. Figur 4 viser CV kurver av I-film elektrode ved en scanninghastighet fra 10 til 100 mV s -1. CV kurve av I-film utstillinger definitivt annerledes, kapasitive egenskaper fra elektrisk dobbelt lag kapasitans som har rektangulær CV kurve. Distinkt redoks topp det kan ses fra figur 4 i det påtrykte potensiale fra -0,5 til 0,5 volt i forhold til Hg / HgO resulterer fra redoksreaksjonen mellom Ag og Ag 2 O [ 35 ] som beskrevet ( 2 ). Kapasitansen til I-film ved forskjellige skannerater kan bli estimert ved området av den lukkede krets. Endringer i kapasitans ved ulike skanne prisene skyldes at ved lave skanne priser; diffusjon av ioner gjennom hele reaksjonssystemet er ubegrenset som fører til full utnyttelse av sølv nanowire som elektrode, mens ved høye skannefrekvenser, utfører dobbelt-lags eller ikke-faraday oppførsel, slik at sølv ikke er fullstendig oksydert eller redusert som resulterer i reduksjon av kapasitansen av kapasitansen [ 36 ]. Resultatene tyder på at I-filmen viser utmerket elektro pseudocapacitance ytelse og god reversibilitet under lading / utlading prosessen:

Vanligvis opplever sølv en reversert redoks i en alkalisk tilstand. I det første trinn blir Ag elektrokjemisk oksidert til Ag 2 O etter , Og etterlater et vannmolekyl og to elektroner. I en motsatte retning, ble et vannmolekyl delt opp i og , Slik at Ag 2 O kan reduseres til Ag etter forlater . Som et resultat ble sølv nanotråder forvandlet til Ag / Ag 2 O kjerne-skall nanostrukturer som Figur 5 (a) viste. For å detektere produksjon av Ag 2 O i løpet av prosessen, ble det EDS med en stor flekk størrelse (ca. 5 μ m) utført. I figur 5 (b) , kan vi se prosenter av elementene. EDS-spektrum viste at atomforhold mellom Ag, og O er mindre enn to. Årsaken er at kildene til oksygen er fra Ag 2 O og PVP som er dekket på overflaten av sølvnanotråder, og kjernen av sølvnanotråder er fremdeles Ag element. Således er forsøket resultat i samsvar med teori og demonstrerer form av Ag 2 O / Ag kjerne-skallnanostrukturer under lade / utladningsprosessen.

Det er et lineært forhold mellom skannehastighet og responsen strøm i henhold til ( 3 ) [ 37 ], der er den utladningsstrøm (mA); er kapasitans; er skannehastigheten av den sykliske voltammetry. Den innelukkede området av cyklisk voltametri kurve kan brukes for å estimere den elektrokjemiske kapasitans. Den spesifikke kapasitans beregnes ved hjelp av ( 4 ), der er arealet av aktivt materiale (cm 2):

Den galvanostatiske ladning / utladning-forsøk utføres ved et potensial vindu fra -0,5 til 0,5 V for å studere den spesifikke kapasitansen til I-film. Figur 6 viser den galvanostatiske ladning / utladningskurver for I-film ved en strømtetthet 0,5 til 6 mA cm -2. Som tabell 2 viser, den spesifikke kapasitans I-film øket 42,2 til 41,76 mF / cm 2 når strømtettheten økes 0,5 til 3,0 mA / cm 2, som bare er 1% forråtnelse. Men den spesifikke kapasitans I-film skarpt redusert til 27 mF / cm 2 under 6,0 mA / cm2. Grunnen til dette er at større strømtetthet resulterer i kortere tid av redox mellom Ag / Ag 2 O, slik at ioner ikke har nok tid til å diffundere fra elektrolytt og interfase [ 26 ]. I tillegg er overflaten av nanotråder dekket av PVP, som også har innvirkning på lade / utladningstakt [ 38 ]. Figur 7 presentert som kapasitansen retensjon av I-film ved en strømtetthet på 6 mA / cm 2 kan oppnå 94,2% av opprinnelig verdi etter 100 sykler. Som et resultat har det I-elektroden en god stabilitet under kontinuerlige sykluser.

4. Konklusjoner

G-film og I-film har blitt fabrikkert av belegg sølv nanotråder på glass og ITO, henholdsvis. Transmisjonen til G-film øker med reduksjon av tykkelsen av G-film, og ledningsevnen kan bedres ved å øke sintringstemperaturen tilskrives den fjerne av PVP og sveis av knutepunkter med sølvnanotråder. Resultatene viste at G-film hadde høyere andel av transmittansen til Rs enn for karbon nanorør og graphene, som er et lovende erstatning av ITO anvendt i optoelektroniske områder. I tillegg CV kurver av I-film under forskjellige skanning priser hadde åpenbart redoks topper indikerer sin gode ytelse for elektro pseudocapacitance og god reversibilitet under lading / utlading prosessen. Gjennom galvano lade / utladnings eksperimenter, kan det sees at den spesifikke kapasitansen til I-film er avhengig av strømtettheten, og I-film oppviser høy elektrokjemisk stabilitet. Ved lav strømtetthet, kan nedbrytning av spesifikk kapasitet bli ignorert mens, ved høy strømtetthet, den spesifikke kapasitans forfalt dramatisk på grunn av kort tid for diffusjon av ioner. Derfor sølv nanotråder har store potensielle bruksområder i optoelektroniske enheter.

Interessekonflikt

Forfatterne hevder at det ikke er noen interessekonflikt om offentliggjøring av dette papiret.

Takk til

Dette arbeidet støttes av NSFC henhold Grant no. 61307066, Doctoral Fund of Ministry of Education i Kina under Grants nos. 20110092110016 og 20130092120024, Science Foundation i Jiangsu-provinsen Natural henhold Grant no. BK20130630, National Basic Research Program of China (973 Program) under Grant no. 2011CB302004, og Foundation of Key Laboratory of Micro-Treghet Instrument og avansert navigeringsteknologi, Kunnskapsdepartementet, Kina under Grant nei. 201204.



Et par:Ledende blekk i 2017: The Next Big Things Neste:Silver nanopartikkel