елементи
абстрактно
Описан е лесен метод за производство на високоефективни прозрачни електроди с подобрена никел сребърни наночастици (Ag NW) върху гъвкава основа. Модифицираният метод за галванично покритие беше наречен Ag NWs армировка с никел-йонни мостове, което осигурява нов начин за подобряване на свободните връзки в голи мрежи от Ag NW. Устойчивостта на атмосферни влияния на Ag NW електродите намалява от повече от 2000 Ω sq −1 до 9.4 Ω sq −1 с отлична термична еднородност след процеса на галванизация в рамките на 10 s. Прозрачни филми с подобрено съдържание на никел Ag NW се прилагат за гъвкави нагреватели с добра термична стабилност (165 ° C за 2 часа) и механична гъвкавост (3500 цикъла с радиус на огъване 2,5 mm) след процеса на механично огъване. Механизмът на растеж на никел се потвърждава и от факта, че никел галванопластът Ag NW спазва законите на Фарадей.
През последните десетилетия нискоразмерните материали като наночастици, нановолокна (NW) и графен проявяват отлични оптични, електрически, термични и механични свойства в различни области 1, 2, 3, 4, 5. Сред различните наноматериали сребърните нанокари (Ag NW) са от голямо значение за изследователите поради тяхната висока проводимост (6, 3 × 107 S m-1) 6, отлични механични свойства и леки синтетични пътеки, които дават възможност на нановолокна да замести търговския индий калаен оксид (ITO) 7. В допълнение към успешните приложения в оптоелектронните устройства (например прозрачни електроди) и сензорите, мрежите Ag NW се използват в различни области, като слънчеви клетки, прозрачни нагреватели и високопроизводителни устройства 8, 9, 10, 11 12, които изискват добър компонент надеждност при високи токове.и високи температури.
Галваничното покритие се използва главно за защита на материали, които са чувствителни към околната среда. Използвайки традиционния метод за галванично покритие, мрежите Ag NW могат да бъдат селективно покрити, като по този начин се предотвратява нежеланото покритие на други области. Това покритие с галванично покритие може да подобри връзките, които са наистина слаби. В това проучване металният никел (Ni) е избран като материал за галванично покритие поради добрите му физични и механични свойства. Чрез процеса на галванизация могат да бъдат произведени високопроизводителни Ni-N мрежи с подобрен Ni. За да се гарантира надеждността на високоефективната Ni-усилена мрежа Ag NW, трябва да се идентифицира механизмът, чрез който йоните Ni подобряват връзките от нановолокна и поведението в дългосрочен план като високотемпературна електромиграция и свързаност между Ag NW.
Резултати и дискусия
Производство и поцинковане на прозрачни фолио Ag NWs
Фигура 1 показва целия процес на производство на Ni N прозрачни филми. Ag NW с високо съотношение на страните (дължина 80 μm и диаметър 80 nm) се синтезира по модифициран полиолов метод и се диспергира в дейонизирана (DI) вода. След това разтворът на Ag NW се прекарва през нитроцелулозна мембрана през вакуумна филтрираща система, както е показано на фиг. След филтриране, Ag NW мрежите бяха покрити върху мембраната и след това прехвърлени в полиетилен терефталатен (PET) филм с помощта на ламинатор (Фиг. Lb). Прозрачността на необработените филми е 90%, а съпротивлението на листа е по-високо от 2000 Ω sq-1. След нагряване при 50 ° C в продължение на 30 минути с помощта на плоча (фиг. 1в), устойчивостта на филма на Ag NW филми намалява до по-малко от 200 Q кв.
Схематично представяне на производството на прозрачен нагревател. а ) Вакуумна филтрация. б ) Процес на пренос на налягане. ° С ) Процес на отопление. д ) SEM изображение на отопляемата мрежа Ag NW и условията на нейното свързване. ( д
ж ) Ni галванично покритие. з ) SEM изображение на галванично покрита мрежа Ag NW и условия на нейното свързване.
Изображение в пълен размер
Въпреки това, отоплителните мрежи Ag NW отдавна не могат да пренасят високи токове при високи температури, особено когато се използват в гъвкави нагреватели и високопроизводителни устройства. Ag NW имат многоъгълни напречни сечения с остри ръбове и, както може да се види на ФИГ. 1d, те се подреждат само заедно, което води до лоша проводимост на филма. За допълнително подобряване на електрическите свойства на Ag NW филми и за защита на наножиците от електромиграция, тънка Ni обвивка беше поцинкована върху Ag NW мрежи. Диаграмата на процеса на галванично покритие е показана на ФИГ. 1е - g. PET фолиото със залепен Ag NW, наричано Ag NW филм, беше нарязано на купони 4 cm x 3 cm. Cu лентите бяха залепени към подготвен филм Ag NW за приложение като катод за процеса на галванично покритие. Системата за галванично покритие се състои от Ni анод, катод, базиран на Ag NW, галваничен разтвор и захранване с постоянен ток (DC), както е показано на ФИГ. Параметрите на галванично покритие са 100 mA (0,2 A dm -2) и 10 s. След процеса на галванизация с Ni, съпротивлението на Ni N покрити листове Ni N намалява до 9,4 Ω sq-1, прозрачността намалява до 80% и цветът на филма се променя от светло сив до тъмно сив.
Микроструктурата на Ni електролитно покрития Ag NWs филм е показана на ФИГ. 1h, че Ni запълва празнините между Ag NW, което създава тясна връзка между отделните Ag NW. Това увеличи проводимостта на Ag NW филми. В допълнение, връзките между Ag NW се променят от хлабава връзка в плътна връзка поради Ni поцинковането. В допълнение, с отлагането на атоми Ni, NW стават грапави и повърхността им става грапава. Изображението на предавателната електронна микроскопия (TEM) на филма показва, че на гладката повърхност на всеки Ag NW (фиг. Sla) присъства грубо покритие и анализът на дисперсионната рентгенова спектроскопия (EDS), показан на фиг. потвърди, че присъстват само Ni и Ag. Беше заключено, че мрежата Ag NW е свързана и покрита с тънък слой Ni, което се очаква да подобри проводимостта и анти-електромагнитните свойства.
Работа на прозрачни нагреватели
Разпределение на топлината ( а ) голи Ag NW и ( б ) Ni-електроди, усилени от Ni. Крайно представяне ( ° С ) голи Ag NW и ( д ) Ni-повишени Ag NW. Вградени изображения в ( а, б ) са инфрачервени изображения на електроди с постоянен приложен ток.
Изображение в пълен размер
За да се изследва термичната и електрическата стабилност на голите и усилени с Ni Ag Ag електроди, към пробите се прилага постоянен ток за 2 часа, както е показано на фиг. 3а, б. Голият Ag NW електрод показа добра стабилност при 75 ° C с леко колебание преди 5 минути. Въпреки това, температурата внезапно спадна до 68 ° C след 5 минути и след това тази температура се поддържа до 12 минути, когато пробата най-накрая се разпадна поради нестабилността на наноструктурите при относително високи температури за дългосрочно отгряване 14. Спадът на температурата от 75 ° C до 68 ° C се дължи на отгряването на Ag NWs в джаулова отоплителна среда 27, тъй като отгряването може да доведе до намаляване на електрическото съпротивление и общата мощност. За разлика от голия Ag NW електрод, покритият електрод поддържа температура от 165 ° C със стабилно електрическо съпротивление по време на теста. Следователно, Ni покритието несъмнено подобри стабилността на мрежите Ag NW далеч над нивото на голата мрежа Ag NW в сурова тестова среда.
Дългосрочна стабилност на труда ( а ) голи Ag NW и ( б ) Ni-повишени Ag NW.
Изображение в пълен размер
а ) Изпитвания за огъване за определяне на механичната стабилност на голи Ag NW и Ni армирани Ag NW. ( б ) Температурата на нагревателя се променя по време на циклите на огъване.
Изображение в пълен размер
Подобрен свързващ механизъм за покритие
SEM изображения ( а ) голи Ag NW и ( б ) Ag NW с ниско покритие. Диаграма на Ni-йонния свързващ механизъм за X-съединения ( ° С ) и Y ( д ).
Изображение в пълен размер
Новодобавеното Ni покритие значително увеличи проводимостта на Ag NW филми, но също така намали оптичните характеристики. Фиг. S2 показва кривите на UV-Vis спектрите на прозрачните филми Ag NW преди и след галваничното покритие. За гол филм на основата на NN Ag, резонансните пикове на повърхността на плазмона на Ag NW се появяват при 354 nm и 396 nm, съответстващи на резонанса извън квадруполния резонанс и извън равнината, 30, 31. За разлика от това плазмонните резонанси са потиснати след прилагане на Ni върху повърхността на Ag NW. Това наблюдение е в съответствие с констатациите за наночастици Ag-Ni 32. Имаше две възможни причини за наблюдаваното намаляване на прозрачността. Първо, прозрачността на NW филмите обикновено се разбира като функция от процента на "кухини" между Ag NW мрежата. Светлината преминава през прозрачни субстрати без препятствия на Ag NW в областта на празнотата. След галванизация площта на кухината намалява с увеличаване на дебелината на NW, което води до намаляване на прозрачността 23. Друга причина е, че покритото Ni покритие след галванично покритие увеличава грапавостта на NW, което кара галванизираните NW да разсейват или абсорбират повече падаща светлина. .
Механизъм за растеж на Ni Shell
Според теориите за галванично покритие количеството Ni, отложено върху катода Ag NW, е пропорционално на произведението на тока и времето 34, както следва:
$$ m = 1, 095 пъти по $
където m е количеството Ni, отложено върху катода в грамове, I е електролитният ток в ампери, t е времето за галванизация в часове и a е коефициентът на тока. Константата (1, 095) в грамове на ампер час се изчислява от законите на Фарадей. Това уравнение показва, че крайният продукт се влияе от три основни параметъра (I, t и a). Токовите и времевите ефекти на галваничното покритие са ясни, но текущият коефициент е сложен и включва много фактори, включително формата на електрода, разстоянието между електродите, условията на разтвора и рН на разтвора.
За да се открие растежът на Ni покритието, Ag NWs бяха галванизирани няколко пъти, докато останалите параметри бяха постоянни, както е описано в експерименталните процедури. Дебелината на Ni на покритието силно влияе на прозрачността, електрическото съпротивление и максималната температура на филма Ag NW. Следователно тези три характеристики обикновено се използват за измерване на растежа на Ni покритието. Таблица 1 показва свойствата на Ag NW електроди, покрити при различно време на галванично покритие. Фигура 6 показва изображения на сканираща електронна микроскопия (SEM) на мрежи Ag NW, галванизирани при 0,1 A за 2 до 30 s. С увеличаването на времето за нанасяне на покритието Ni покритието се усилва и прозрачността на Ag NW филма намалява съответно. В допълнение, отлагането на Ni доведе до образуването на плътни връзки между нановолокната и увеличаване на площта на напречното сечение на Ag NW, като по този начин драстично намалява електрическото съпротивление на слоя. Обърнете внимание, че максималната температура на електродните листове, покрити за повече от 20 секунди, достига 180 ° C. При тази температура PET субстратът се деформира и частично се стопява, както е показано на фиг. По този начин температурата на насищане на електрода е приблизително 180 ° C. Температурата на насищане може да бъде дори по-висока, ако се използват основи с по-високи точки на топене.
Маса в пълен размер
Морфологии и структури на мрежи Ag NW, подложени на галванизация на Ni при 0,2 A/dm2 за ( а ) 2 s, ( б ) 10 s, ( ° С ) 20 s a ( д ) 30 s.
Изображение в пълен размер
Според уравнение (1) връзката между дебелината на покритието Ni и времето за поцинковане трябва да бъде линейна, но резултатите показват ясно нелинейна връзка (фиг. S5a). Възможна причина за това несъответствие беше, че плътността на Ni черупката първоначално беше висока и след това намаля с продължителния растеж на Ni 35, 36. По този начин теглото Ni трябва да се увеличава линейно с увеличаване на времето за покриване. За да се гарантира точността на резултатите, се прилага друга проба за 30 секунди и се изследва от EDS. Резултатите от EDS анализа, показан на ФИГ. S4 потвърди хипотезата. Тъй като количеството Ag NW във всяка проба е еднакво, съотношението Ni/Ag може да се използва за изчисляване на масата на Ni. Съотношенията бяха определени за 0, 375, 0, 515, 1, 326 и 1, 941 за проби, посяти за 2 s, 10 s, 20 s и 30 s. Чрез нанасяне на данни за масата на Ni и електролитно време, използвайки софтуера Origin TM, беше установено, че междина и наклон са съответно 0, 122. 0, 059. Коефициентът на корелация R е 0.944, което означава, че двата параметъра имат добра линейна връзка (фиг. S5b) и потвърждава, че скоростта на растеж на Ni също следва законите на Фарадей.
Производство на високоефективни прозрачни нагреватели
Фигура 7а показва термичната характеристика на усилен с NW усилен Ni-нагревател. Размерът на нагревателя беше 2 см × 1,5 см. Температурната реакция на нагревателя беше измерена с инфрачервена камера, както е показано на фиг. 7а. С отклонение от 5,0 V, температурата на нагревателя се повишава от 25 ° C (стайна температура) до 170 ° C за около 50 секунди. След това температурата се поддържа в стабилно състояние при подаване на напрежение. Кривата показва, че усиленият с NW Ni-нагревател има добра термична реакция. Фигура 7б сравнява нашите Ni-амплифицирани Ag NW TH с предварително проучени TH, като тези на базата на графен, въглеродни нанотръби (CNT), Ag NW и Ag NW хибриди. Графиката на пропускливостта спрямо съпротивлението на листа показва, че подсилената с Ni Ag NW TH има относително висока производителност (ниско съпротивление на листа с висока температура на насищане), сравнима с резултатите от другите споменати TH. В допълнение, производителността на Ni-подсилената мрежа Ag NW може да бъде настроена чрез регулиране на времето за поцинковане, за да се получат електроди за различни приложения. Радарната диаграма на ФИГ. S6 показва параметрите на три електрода, произведени при различно време на галванизация (0 s, 10 s и 30 s).
а ) Ag NW нагревател за включване/изключване на кривата на топлинна реакция. ( б ) Графика на прозрачност срещу устойчивост на лист за нагревател Ag NW с определена температура на насищане. Данните за други наноструктурирани проводими материали са взети от литературата и са преведени за сравнение 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 .
Изображение в пълен размер
заключения
Високо проводими и прозрачни усилени с Ni мрежи Ag NW с потенциал като високопроизводителни нагреватели са получени чрез модифициран метод на галванично покритие. Ni-йонният мост, образуван в разтвора за покритие, е важна среда за формиране на еднородни и плътни връзки между Ag NW и новообразуваното Ni покритие намалява контактното съпротивление на Ag NW мрежите. Постигнат е високоефективен Ni-подсилен прозрачен филм Ag NW с оптимално балансирана оптична прозрачност (80% при 550 nm) и устойчивост на листа (9,4 Ω sq -1). Подсилените с NW повърхностни нагреватели Ag NW са произведени, за да поддържат дългосрочна експлоатационна стабилност за 120 минути при висок ток (200 mA) и температурна стабилност с механично огъване за повече от 3500 цикъла в сравнение с голи Ag NW Поради високата термична, електрическа и механична стабилност се очакваше, че Ni подсилени прозрачни филми NW NW ще бъдат приложени в близко бъдеще като преносими нагреватели, високопроизводителни устройства.
методи
Подготовка на филми Ag NW
Ag NW (L = 80 μm, D = 80 nm) са синтезирани чрез модифициран полиолов метод в споменатите по-горе методи 37. Приготвеният Ag NW се диспергира в DI вода при концентрация приблизително 4 mg/ml. След това 200 μl Ag мастило се филтрира през нитроцелулозна мембрана с помощта на вакуумна филтрираща система, за да се получи Ag NW мрежа. След това събраните мрежи Ag NW бяха прехвърлени в PET филм (4 x 4 cm 2) чрез процес на прехвърляне на компресия. Накрая, Ag NW филмите бяха изсушени при 50 ° С в продължение на 30 минути във фурна за по-нататъшно изпитване.
Галванично покритие Ni
1 М никелов дихлорид (NiCl 2,6 H 2 O), 0,5 М ортофоридна киселина (H 3 BO 3) и 0,5 М етилендиамин дихидрохлорид (C 2 H 10 Cl 2 N 2) се смесват в 500 ml DI вода, за да се образува покритие баня. и рН на разтвора се регулира до 4.0 чрез добавяне на воден амоняк (NH3H20). Преди нанасянето, температурата на електролита се поддържа на 60 ° C с помощта на термостатично контролирана водна баня. Приготвените филми, съдържащи Ag NW, бяха потопени в разтвора като катод и като анод беше използвана Ni плоча. Процесът на галванизация е завършен при ток от 0,1 A за 5 до 30 секунди (за различни проби). След това пробите се изплакват обилно с DI вода и се сушат при стайна температура.
характеризиране
Морфологиите на Ag NWs и Ni N-покрити Ag NW се характеризират с SEM (Helios Nanolab 600i, FEI NanoPorts, Америка) с ускоряващо напрежение 20 kV. TEM (JEM 2100, Japan Electron Optics Laboratory Co.Ltd., Япония) е използван за събиране на изображения при ускоряващо напрежение от 200 kV. Оптичните и електрическите свойства на филмите Ag NW върху PET са измерени с помощта на UV/vis спектрофотометър (UV1600PC, Shanghai Jinghua Technology, Китай) и система от четири точки (MCP-T370 с ASP сонда, Mitsubishi Chemical Corp., Япония) . ). Източник на постоянен ток (DPS-3005D, Zhaoxin, Китай) е използван за тестване за висока токова стабилност. Изображенията на температурната крива и термичната карта са получени с инфрачервена система от камери (A-325, FLIR Systems, Inc., Америка), а кривата на напрежението е измерена с цифров мултицет (34401 A, Keysight Technologies, Америка). Тестовете за огъване бяха извършени с помощта на домашна машина за огъване (фиг. S7) и скоростта на огъване беше зададена на 4 s на цикъл (0,25 Hz).
Благодаря
Авторите са благодарни за финансовата подкрепа на Националната научна фондация на Китай (грант № 51522503) и подкрепата на Програмата за талант на New Century University of Excellence (NCET-13-0175).
Електронен допълнителен материал
Допълнителна информация
Коментари
Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.