+86-757-8128-5193

Exposición

Inicio > Exposición > Contenido

Aplicaciones de Nanowires de plata sobre película de conducción transparente y electrodo de condensador electroquímico

Abstracto

El nanowire de plata tiene aplicaciones potenciales en la película conductora transparente y el electrodo del condensador electroquímico debido a su conductividad excelente. Se preparó película conductora transparente (película G) recubriendo nanocables de plata sobre sustrato de vidrio usando el método de barra Meyer, que exhibía un mejor rendimiento que el nanotubo de carbono y el grafeno. La conductividad de la película G se puede mejorar aumentando la temperatura de sinterización. El electrodo del capacitor electroquímico (película I) se fabricó mediante el mismo método con la película G sobre óxido de indio y estaño (ITO). Las curvas CV de la película I bajo diferentes velocidades de escaneado tenían picos redox evidentes, lo que indicaba que la película I exhibía un excelente comportamiento electroquímico de pseudocapacitancia y buena reversibilidad durante el proceso de carga / descarga. Además, la capacitancia específica de la película I se midió mediante experimentos galvanostaticos de carga / descarga, lo que indica que la película I exhibe una alta capacidad especial y una excelente estabilidad electroquímica.

1. Introducción

En los últimos años, los nanomateriales de metales nobles, especialmente los nanomateriales de plata, se han convertido en el centro de investigación debido a sus propiedades físicas y químicas únicas, ampliamente utilizadas en catálisis [ 1 ], óptica, eléctrica [ 2 , 3 ] y antibacteriana [ 4 ] Áreas. Entre estas diversas nanoestructuras de plata, el nanocable ha atraído intensas fuerzas debido a su alta conductividad de CC y transmitancia óptica. A medida que los dispositivos optoelectrónicos se hacen más pequeños y más ligeros, existe una creciente necesidad de electrodos transparentes eficientes. El material más común de los electrodos transparentes es el óxido de indio y estaño (ITO); Sin embargo, ITO no puede seguir el ritmo con el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos debido a su alto costo, fragilidad, y proceso crítico de la preparación. Aunque las personas han tratado de utilizar otros materiales para fabricar electrodos transparentes, como los nanotubos de carbono (CNT) [ 5 - 8 ], el grafeno [ 9 - 11 ], y el polímero conductor [ 12 - 14 ], el problema de cómo lograr la proporción de La transmitancia a la resistencia de la hoja (Rs) tan alta como ITO todavía no puede ser resuelta. Por lo tanto, muchos grupos pusieron esfuerzos en nanofuegos metálicos, particularmente en nanocables de plata. Leem et al. [ 15 ] han sido pioneros en los nanocables de plata como el electrodo en las células solares, y la transmitancia del mismo fue del 89,3% con bajos Rs de / Sq. Desde entonces, las películas de nanocables de plata se han fabricado mediante la técnica de revestimiento de varillas [ 16 ] y el método de revestimiento por esterilización [ 17 ]. Por lo tanto, el nanowire de plata se puede utilizar como reemplazo de ITO en el futuro. Con el fin de disminuir aún más la Rs de la película de nanowire de plata, Bergin et al. [ 18 ] estudió los efectos de la longitud y el diámetro de los nanocables de plata en sus propiedades. Los nanocables más largos pueden resultar en Rs más bajos debido a menos conexiones entre los nanocables. Por lo tanto, la preparación de nanocables ultralong es un asunto urgente. Aparte de aumentar la longitud del nanocable para mejorar sus propiedades, Hu et al. Aplicado método de prensado mecánico para reducir la resistencia de las uniones, lo que puede hacer la conexión de nanohilos de plata más cerca conduce al aumento de la conductividad [ 19 ]. También encontraron que el revestimiento de oro en la película es una manera eficiente, que puede hacer que la superficie de nanowire de plata suave que conduce a la disminución de la resistencia de la unión. Zhu y col. [ 20 ] utilizaron el tratamiento del plasma para quitar el polímero revestido en la superficie del nanowire de plata y soldaron las uniones, mejorando el funcionamiento de la película del nanowire de la plata. Sin embargo, la gran resistencia de contacto de internanowires sigue siendo una limitación del desarrollo de películas de nanowire de plata en dispositivos optoelectrónicos y electrónicos.

Además, el nanowire de plata se puede también utilizar como electrodos del condensador electroquímico. Los condensadores transparentes tienen aplicaciones potenciales en el almacenamiento de energía [ 21 - 23 ]. Sorel et al. [ 24 ] condensador transparente preparado por pulverización de nanocables de plata en películas de polímero, que exhibió propiedades de condensador con 1,1 uF / cm 2 . Sin embargo, en comparación con otros electrodos del condensador, la capacitancia específica era mucho más baja. Pan et al. [ 25 ] encontraron que el electrodo AgO nanoestructurado mostró excelentes propiedades electroquímicas, y los nanocables de plata pueden ser oxidados a Ag 2 O formando nanoestructuras núcleo-cáscara Ag / Ag 2 O durante el proceso electroquímico [ 26 ]; Por lo tanto, el nanowire de plata es un candidato prometedor del condensador electroquímico.

En este trabajo, preparamos nanocables de plata largos por un método sencillo informado en nuestro trabajo anterior. En base a esto, se fabricaron película conductora transparente (película G) y electrodo de condensador electroquímico (película I) mediante recubrimiento de nanocables de plata sobre vidrio o ITO, respectivamente, y se investigaron sus características. Se discutió la relación entre la transmitancia y Rs de la película G. La conductividad de la película G se mejoró aumentando la temperatura de sinterización. Mediante voltamperometría cíclica y experimentos galvanostaticos de carga / descarga, se estudiaron las propiedades del condensador de I-film, indicando que el nanocable de plata tiene una capacitancia electroquímica alta y estable que puede ser utilizada como material de electrodo de pseudo-capacidad electroquímica.

2. Experimental

Se adquirieron nitrato de plata (AgNO 3 99 +%), cloruro de sodio (NaCl), etilenglicol (EG), ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) y peróxido de hidrógeno (H2O2) de Nanjing Chemical Reagent Co. , Ltd. Se adquirió polivinilpirrolidona (PVP, K88) de Aladdin. El óxido de estaño de indio (ITO) se adquirió de Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd.



Las morfologías y el Espectrómetro Dispersivo de Energía (EDS) de nanocables de plata se midieron mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) (SIRION, USA). Los Rs de la película de nanowire de plata se midieron mediante una técnica de cuatro sondas con un medidor de fuente Keithley 2701. Los espectros UV-vis se registraron mediante un espectrómetro de fibra óptica (PG2000, Ideaoptics Technology Ltd., Shanghai, China). La propiedad de capacitancia electroquímica del electrodo de nanocables de plata se investiga mediante medidas de voltamperometría cíclica (VC) y galvanostaticas usando una estación de trabajo electroquímica (CHI 760D, CH Instruments Co., Ltd.).

2.1. Preparación de Silver Nanowires

Silver nanowire fue preparado por el método informado en nuestro trabajo anterior [ 27 ]. En cada síntesis, se añadieron 1 ml de solución EG de AgNO3 (0,9 M) y 0,6 ml de solución EG de NaCl (0,01 M) en 18,4 ml de solución EGP de PVP (0,286 M). A continuación, la mezcla se sometió a reflujo a 185ºC durante 20 min. Después de los procesos anteriores, el exceso de PVP y EG se eliminaron añadiendo agua desionizada centrifugando a 14000 rpm durante 10 min, 3 veces.

2.2. Procedimiento de Silver Films on Glass y ITO

El vidrio y los sustratos de ITO se trataron mediante la mezcla de solución de ácido sulfúrico concentrado y peróxido de hidrógeno bajo ultrasonicación durante 30 min, lo que puede hacerlos hidrófilos. En este caso, se puede obtener una película uniforme. Se recubrieron nanocables de plata sobre vidrio o sustrato de ITO con tratamiento, usando vástago de Meyer, y luego se calentaron a 150 ° C durante 20 min. La película obtenida sobre sustrato de vidrio se denominó película G. Las muestras 1 a 5 son películas G fabricadas con solución de nanocables de plata 2 mM, 1,75 mM, 1,5 mM, 1 mM y 0,5 mM, respectivamente. La película obtenida en la ITO fue nombrada I-film. Los dos tipos de películas tienen diferentes propiedades debido a diferentes sustratos.

3. Resultados y discusiones

3.1. Morfología de la película de plata de Nanowire

Como se muestra en la Figura 1 , se preparó una película de nanohilo de plata uniforme usando varilla Meyer. La longitud de la mayor parte del nanowire de plata excede de 5 μ m, que es lo suficientemente largo para ser conectado en una red. La inserción en la Figura 1 es coloides de nanocables de plata. El color de los coloides de plata es de color blanco amarillento, similar a los coloides de nanocables de plata altamente purificados obtenidos después de la filtración de flujo cruzado [ 28 ]. La preparación de nanocables de alto rendimiento y plata larga ha sido estudiada por muchos grupos; Sin embargo, estos procesos de reacción son generalmente complejas o difíciles de controlar [ 29 , 30 ]. Sin un control preciso de las concentraciones de reactivos y del proceso de crecimiento, los nanocables de plata obtenidos son siempre de bajo rendimiento, acompañados de grandes cantidades de subproductos tales como nanocubos o nanoesferas que crecen a partir de semillas isotrópicas, lo que influye en las propiedades de las películas de nanocables de plata.

3.2. Película de conducción transparente

La transmitancia óptica en un rango de longitud de onda grande es una propiedad importante para la película transparente y conductora. La figura 2 muestra las transmitancias de películas G con diferentes espesores, que se fabricaron sobre sustratos de vidrio con diferentes concentraciones de nanocables de plata. La transmitancia de la muestra 1 es 13%, que es muy baja. Cuando la concentración disminuyó de 2 mM a 0,5 mM, la transmitancia de muestras mostró una tendencia creciente que alcanzó 31%, 58%, 62% y 65%, respectivamente. Además, puede verse en la Figura 2 que las transmitancias de las películas G se mantienen estables en las regiones del infrarrojo cercano, lo cual es importante para las células solares. Sin embargo, la transmitancia de ITO disminuyó de 1100 nm descrito a su pico de resonancia plasmónica a 1300 nm [ 19 ]. La conductividad de las películas G también se ve afectada por el grosor de la película. Como se muestra en la Figura 2 , con el aumento de espesor, los Rs de la G-película cae.

Como se mencionó en la introducción, es un gran problema para disminuir la resistencia a la unión de la película de nanocables de plata. Se encontró que el aumento de la temperatura de sinterización es una manera fácil y eficaz para mejorar la conductividad de la película de nanocables de plata. Como se muestra en la Tabla 1 , cuando la temperatura de sinterización era de 150ºC, los Rs de la muestra 4 fueron / Sq. Al aumentar la temperatura de sinterización a 200 ° C, los Rs / Sq. Debido a que el PVP recubierto sobre la superficie de los nanocables de plata se descompone parcialmente a 200 ° C, las superficies de nanocables de plata pueden conectarse juntas, llevando a una mayor conductividad [ 31 ]. Además, a 200 ° C algunos nanocables de plata se pueden soldar juntos. Cuando la temperatura de sinterización era de 250 ° C, la PVP se eliminó casi por completo y la mayoría de las uniones entre nanofuegos de plata se fundieron dando como resultado los Rs inferiores con / Sq, que se puede ver en la Figura 3 (a) . Cuando la temperatura de sinterización era de 300 ° C, aunque algunos de los nanocables de plata se rompieron, la película todavía era una red conductora con Rs inferior ( / Sq) que se muestra en la Figura 3 (b) . Sin embargo, cuando la muestra 5 más delgada se sinterizó a 300 ° C, se rompieron muchos nanocables de plata que condujeron a una película no conductora que puede verse en la figura 3 (d) . A 400 ° C, los nanocables de plata de la muestra 4 estaban casi rotos (en la Figura 3 (c) ). De acuerdo con ( 1 ) [ 20 ], podemos calcular Que puede evaluar el rendimiento de la película conductora transparente, la mayor Significa la proporción más alta de transmitancia a Rs. los De la muestra 4 después de tratada a 300 ° C fue 116,5 que es mayor que la de los nanotubos de carbono [ 32 , 33 ] y el grafeno [ 34 ]. Por lo tanto, las películas G tienen una aplicación potencial en dispositivos optoelectrónicos:

3.3. Electrodo de condensador electroquímico

La voltametría cíclica se utiliza para evaluar las propiedades electroquímicas de la película I. Todas estas mediciones electroquímicas se realizan en KOH 1,0 M usando un sistema de tres electrodos. La Figura 4 mostraba curvas CV de electrodo de película I a una velocidad de exploración de 10 a 100 mVs ^ {- 1} . La curva CV de la película I exhibe propiedades de capacitancia claramente diferentes de la capacitancia eléctrica de doble capa que tiene una curva CV rectangular. Pico distinto redox puede verse en la Figura 4 en el potencial aplicado de -0,5 a 0,5 V frente a Hg / HgO resultante de la reacción redox entre Ag y Ag 2 O [ 35 ] descrito como ( 2 ). La capacidad de la película I a diferentes velocidades de exploración puede estimarse por el área del círculo cerrado. Los cambios en la capacitancia a diferentes velocidades de exploración resultan de que a bajas velocidades de exploración; La difusión de iones a través del sistema de reacción es ilimitada que conduce al uso completo de nanowire de plata como electrodo, mientras que a altas velocidades de exploración, la capacitancia realiza doble capa o no Faradic comportamiento de modo que la plata no es totalmente oxidado o reducido resultando en la disminución De la capacitancia [ 36 ]. Los resultados indican que la película I muestra un excelente comportamiento electroquímico de pseudocapacitancia y buena reversibilidad durante el proceso de carga / descarga:

Por lo general, la plata experimenta un redox invertido en una condición alcalina. En la primera etapa, Ag se oxida electroquímicamente a Ag $ $ O por , Dejando una molécula de agua y dos electrones. En una dirección inversa, una molécula de agua se separó en y , De manera que Ag 2 O puede reducirse a Ag por dejando . Como resultado, los nanocables de plata se transformaron en nanoestructuras núcleo / envoltura Ag / Ag2O como se muestra en la Figura 5 (a) . Para detectar la producción de Ag 2 O durante el proceso, se realizó el EDS con un tamaño de mancha grande (aproximadamente 5 μm ). En la Figura 5 (b) , podemos ver los porcentajes de elementos. EDS mostró que la relación de átomos entre Ag y O es menor que dos. La razón es que las fuentes de oxígeno son de Ag 2 O y PVP que se cubre en la superficie de los nanocables de plata, y el núcleo de los nanocables de plata sigue siendo el elemento de Ag. Por lo tanto, el resultado del experimento es consistente con la teoría y demuestra la forma de las nanoestructuras núcleo-cáscara Ag 2 O / Ag durante el proceso de carga / descarga.

Existe una relación lineal entre la velocidad de exploración y la corriente de respuesta de acuerdo con ( 3 ) [ 37 ], donde Es la corriente de descarga (mA); Es la capacitancia; Es la velocidad de barrido de la voltametría cíclica. El área cerrada de la curva de voltametría cíclica puede usarse para estimar la capacitancia electroquímica. La capacitancia específica Se calcula utilizando ( 4 ), donde Es el área de material activo (cm2 ):

Los experimentos galvanostaticos de carga / descarga se llevan a cabo en una ventana potencial de -0,5 a 0,5 V para estudiar la capacidad específica de la película I. La Figura 6 muestra las curvas de carga / descarga galvanostaticas de la película I a una densidad de corriente de 0,5 a 6 mA cm -2 . Como se mostró en la Tabla 2 , la capacidad específica de la película I aumentó de 42,2 a 41,76 mF / cm2 cuando la densidad de corriente aumentó de 0,5 a 3,0 mA / cm2 , lo que es sólo un 1% de decaimiento. Sin embargo, la capacidad específica de la película I disminuyó bruscamente a 27 mF / cm2 bajo 6,0 mA / cm2 . La razón es que la mayor densidad de corriente da lugar a un menor tiempo de redox entre Ag / Ag 2 O, por lo que los iones no tienen suficiente tiempo para difundir a partir de electrólito y la interfase [ 26 ]. Además, la superficie de los nanocables está cubierta por PVP, que también tienen efecto sobre la tasa de carga / descarga [ 38 ]. La Figura 7 presenta que la retención de capacitancia de la película I a una densidad de corriente de 6 mA / cm2 puede alcanzar el 94,2% del valor inicial después de 100 ciclos. Como resultado, el electrodo de película I tiene una buena estabilidad durante ciclos continuos.

4. Conclusiones

La película G y la película I se han fabricado recubriendo nanocables de plata sobre vidrio y ITO, respectivamente. La transmitancia de la película G aumentó con la disminución del espesor de la película G, y la conductividad puede mejorarse aumentando la temperatura de sinterización atribuida a la eliminación de PVP y la soldadura de las uniones de nanocables de plata. Los resultados mostraron que la película G tenía una mayor proporción de transmitancia a Rs que la del nanotubo de carbono y el grafeno, que es un reemplazo prometedor de ITO aplicado en áreas optoelectrónicas. Además, las curvas CV de la película I con diferentes velocidades de escaneo tenían picos redox evidentes que indicaban su buen desempeño de pseudocapacitancia electroquímica y buena reversibilidad durante el proceso de carga / descarga. A través de experimentos galvanostaticos de carga / descarga, se puede ver que la capacitancia específica de la película I depende de la densidad de corriente, y la película I exhibe una alta estabilidad electroquímica. A baja densidad de corriente, la decaimiento de la capacitancia específica puede ser ignorada mientras que, a alta densidad de corriente, la capacitancia específica decayó dramáticamente debido al corto tiempo para la difusión de iones. Por lo tanto, los nanocables de plata tienen grandes aplicaciones potenciales en dispositivos optoelectrónicos.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no hay conflicto de intereses con respecto a la publicación de este artículo.

Expresiones de gratitud

Este trabajo es apoyado por NSFC bajo Grant no. 61307066, Fondo de Doctorado del Ministerio de Educación de China bajo las becas Nos. 20110092110016 y 20130092120024, la Fundación de Ciencias Naturales de la provincia de Jiangsu en virtud de la subvención no. BK20130630, el Programa Nacional de Investigación Básica de China (Programa 973) bajo la Subvención no. 2011CB302004, y la Fundación del Laboratorio Clave de Instrumento Micro-Inercial y Tecnología de Navegación Avanzada, Ministerio de Educación, China, bajo la concesión no. 201204.



Inicio | Sobre nosotros | Productos | Noticias | Exposición | En contacto con nosotros | Comentarios | Teléfono móvil | XML

TEL: +86-757-8128-5193  E-mail: chinananomaterials@aliyun.com

Tecnología Co., Ltd de Guangdong Nanhai ETEB