Sel fondu synthèse de nanoparticules d’oxyde métallique complexe
Summary
Ici, nous démontrons une méthode de synthèse unique, relativement basse température, fondu-sel pour la préparation uniforme oxyde métallique complexe lanthane hafnate nanoparticules.
Abstract
Le développement de méthodes de synthèse possible est essentiel pour le succès de l’exploration de nouvelles propriétés et applications potentielles des nanomatériaux. Ici, nous présentons la méthode de synthèse de sel fondu (MSS) pour la fabrication de nanomatériaux d’oxyde métallique. Avantages par rapport aux autres méthodes incluent sa simplicité, verdeur, fiabilité, évolutivité et généralisable. À l’aide de pyrochlore oxyde de hafnium de lanthane (La2Hf2O7) en tant que représentant, nous décrivons le protocole SMS pour la synthèse réussie des nanoparticules d’oxyde métallique complexe (NPs). En outre, cette méthode a la capacité unique de produire NPs avec différentes configurations de matériel en modifiant les différents paramètres de synthèse tels que le pH, la température, la durée et après recuit. En affinant ces paramètres, nous sommes en mesure de synthétiser très uniformes, non agglomérés et hautement cristallins NPs. Un exemple précis, nous avons fait varier la taille des particules de la La2Hf2O7 NPs en changeant la concentration de la solution d’hydroxyde d’ammonium utilisée dans le processus de MSS, qui nous permet d’explorer davantage l’effet de la taille des particules sur différents Propriétés. Il est prévu que la méthode de MSS deviendra une méthode de synthèse plus populaire pour les nanomatériaux et plus largement utilisé dans la communauté des nanosciences et des nanotechnologies dans les années à venir.
Introduction
Synthèse de sel fondu (MSS) implique l’utilisation d’un sel fondu comme le milieu réactionnel pour la préparation des nanomatériaux de leurs précurseurs constitutifs. Le sel fondu agit comme solvant et facilite la vitesse de réaction accrue en augmentant la surface de contact entre les réactifs et leur mobilité. Le choix de sels fondus est d’une importance primordiale pour le succès de la méthode de MSS. Le sel doit répondre à certaines exigences de qualité importantes comme point de fusion bas, compatibilité avec les espèces et la solubilité dans l’eau optimale. Sel fondu a été utilisé précédemment pour accroître la vitesse des réactions à l’état solide ; Toutefois, dans un système de flux, seulement une petite quantité de sel fondu est utilisée (à la différence du MSS, où une grande quantité est ajoutée pour former un support soluble pour la réaction et de contrôler les propriétés de la nanomatériaux synthétisées, comme la granulométrie, la forme et la cristallinité etc.). En ce sens, le MSS est une modification de la méthode de métallurgie de poudre et différente de la méthode de flux1,2,3. L’emploi de can sel fondu (1) augmentation des réactions cinétiques4 tout en diminuant la synthèse température5, (2) augmentation du degré d’ homogénéité de réactif6, (3) contrôler cristalline taille et morphologie7et (4) réduire le niveau de l’agglomération.
Nanomatériaux ont été en forte demande dans la recherche scientifique et les nouvelles applications industrielles en raison de leur supérieure chimique électrique, magnétique, propriétés optiques, électroniques et thermiques. Leurs propriétés sont fortement tributaires de la granulométrie, la forme et la cristallinité. Par rapport aux autres méthodes de synthèse pour les nanomatériaux, MSS a plusieurs avantages évidents ; Bien que, il n’est pas encore aussi célèbre que d’autres méthodes de synthèse dans la communauté des nanosciences et des nanotechnologies. Tel que décrit ci-dessous, ces avantages sont sa simplicité, fiabilité, évolutivité, généralisabilité, respect de l’environnement, rapport coût/efficacité, température relative faible synthèse et agglomération libre de NPs avec surface propre8.
Simplicité : Le processus de MSS est facilement réalisable dans un laboratoire simple avec des équipements basiques. Aucun des instruments sophistiqués ne sont nécessaire. Précurseurs et les sels fondus sont air stable sans nécessiter de manipulation de la boîte à gants.
Fiabilité : Une fois que tous les paramètres de synthèse initial comme la concentration, le pH, temps de traitement et température de recuit sont optimisés, pures et de qualité des produits sont assurés lors de l’utilisation de la méthode de MSS. Si toutes les étapes de synthèse sont effectuées correctement, les produits finaux peuvent atteindre tous les critères de base requis pour NPs de bonne qualité. Un novice à la méthode MSS ne changera pas le résultat de la synthèse, tant que tous les paramètres de synthèse sont suivies correctement et avec soin.
Évolutivité : Capacité de la méthode MSS pour produire de grandes quantités de particules de taille et de forme-sous contrôle est cruciale. Ce facteur critique est important car il permet la détermination de l’utilité industrielle et l’efficacité. Par rapport à d’autres techniques de synthèse, MSS peut facilement générer une quantité suffisante de produits en ajustant les quantités stoechiométriques au cours du processus. Il s’agit d’une caractéristique importante de la méthode car elle permet pour plus de commodité à l’échelle industrielle, ce qui en fait une approche plus désiré en raison de cette évolutivité9,10.
Généralisation : La méthode MSS est également une technique généralisable pour produire des nanoparticules avec diverses compositions. Autre que les oxydes métalliques simples et quelques fluorures, nanomatériaux d’oxydes métalliques complexes qui ont été synthétisés avec succès par la méthode de MSS inclure pérovskites (ABO3)10,11,12, 13,14, spinelle (AB2O4)15,16, pyrochlore (une2B2O7)4,17,18, 19et structures orthorhombique (un2B4O9)2,3,20. Plus précisément, ces nanomatériaux inclure ferrites titanates, niobates, mullite, borate d’aluminium, wollastonite et apatite gazeuses7,9,21. La méthode MSS a également servie à produire des nanomatériaux de morphologies diverses telles que nanosphères4céramiques poudre corps22, nanoflakes23, nanoplaquesont7, NANOTIGES24et noyau-enveloppe nanoparticules (NPs)25, selon les conditions de synthèse et de la structure cristalline des produits.
Respect de l’environnement : plusieurs méthodes traditionnelles pour la fabrication de nanomatériaux impliquent l’utilisation de grandes quantités de solvants organiques et d’agents toxiques qui génèrent des problèmes environnementaux. L’élimination partielle ou totale de leur utilisation et la production de déchets de procédés durables est en demande de chimie verte aujourd’hui8. La méthode MSS est une approche respectueuse de synthétiser des nanomatériaux en employant des matières chimiques et renouvelables atoxiques et minimisant l’énergie des déchets et sous-produits.
La température relative faible synthèse : la température de traitement de la méthode de MSS est relativement faible par rapport à celles exigées dans une réaction à l’état solide conventionnelle26 ou un sol-gel combustion réaction27. Cette basse température économise de l’énergie tout en produisant des NPs de haute qualité.
Rapport coût/efficacité : MSS de la méthode ne requiert pas de n’importe quel réactifs difficiles ou coûteuses ou solvants ni aucune instrumentation spécialisée. L’eau est le solvant principal utilisé pour laver les sels fondus utilisés, qui sont aussi bon marchés. En outre, montage expérimental nécessaire comprend seulement verrerie simple et un four sans instrumentation spécialisée, tandis que les nanomatériaux de composition complexe et de nature réfractaire peut être produites.
Agglomération gratuite avec surface propre : processus au cours de la MSS, les nanoparticules formées sont bien dispersés dans le milieu sel fondu en raison de sa grande quantité, utilisé ainsi que sa haute ionique force et viscosité1,6, 8. Contrairement à synthèse colloïdale et la plupart des processus hydrothermaux/solvothermal, aucune couche superficielle protectrice n’est nécessaire pour empêcher la croissance continue et l’agglomération de la SNPP formée.
La synthèse exemplaire d’oxyde métallique complexe NPs par la méthode MSS : MSS de la méthode comme un universel et rentable approche rationnelle et à grande échelle synthétiser des nanomatériaux pour un éventail suffisamment large de matériel peut être très bien accueilli par les scientifiques travail en nanosciences et nanotechnologies. Ici, hafnate de lanthane (La2Hf2O7) a été choisie en raison de ses applications multifonctions dans les domaines de la x-ray imaging, élevé k-diélectrique, luminescence, phosphore thermographique, barrière thermique, revêtement, et hôte des déchets nucléaire. La2Hf2O7 est également un bon hôte pour des scintillateurs dopés en raison de sa densité élevée, grand nombre atomique effectif et la possibilité de sa structure cristalline à être conçu avec une phase de transition ordre-désordre. Il appartient à l’une2B2O7 famille de composés, dans laquelle « A » est un éléments de terres rares avec un état d’oxydation + 3, et « B » représente un élément métallique de transition avec un état d’oxydation + 4. Toutefois, en raison de la nature réfractaire et de la composition chimique complexe, il a été un manque de bonne basse température et les méthodes de synthèse à grande échelle pour La2Hf2O7 NPs.
Pour la recherche scientifique fondamentale et les applications technologiques avancées, c’est une condition sine qua non pour faire monodispersé, qualité et uniforme un2B2O7 NPs. Ici, nous utilisons la synthèse hautement cristallin La2Hf2O7 NPs à titre d’exemple pour démontrer les avantages de la méthode de MSS. Tel qu’illustré schématiquement à la Figure 1, La2Hf2O7 NPs ont été préparés par la méthode de MSS avec un processus en deux étapes suite à nos précédents rapports. Tout d’abord, un précurseur de source unique complex de La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O a été préparé par une voie de coprécipitation. Dans la deuxième étape, contrôlable par taille La2Hf2O7 NPs ont été synthétisés dans le processus de MSS facile en utilisant le mélange complexe de précurseur et de nitrate SSM (NaNO3: KNO3 = ratio 1:1, molaire) à 650 ° C pendant 6 h.
Figure 1 : Schéma de la synthèse des mesures pour La 2 HF 2 O 7 NPs via la méthode MSS. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le graphique à la Figure 4 fournit plusieurs facteurs de contrôle fiables de la méthode de la MSS et les comptes pour des filières alternatives affiner les caractéristiques des nanomatériaux synthétiques. En outre, il permet d’identifier les étapes essentielles dans le processus de MSS.
Figure 4 : …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient le soutien financier apporté par la National Science Foundation sous CHE (prix #1710160) et l’USDA National Institute of Food et l’Agriculture (prix #2015-38422-24059). Département de chimie à l’Université du Texas Rio Grande Valley est reconnaissante pour le soutien généreux fourni par une subvention du ministère de la Robert A. Welch Foundation (Grant No. BX-0048). S.K.G. tiens à remercier la Fondation de l’éducation des États-Unis et l’Inde (USIEF) et l’Institut de International Education (IIE) pour sa bourse postdoctorale de Fulbright Nehru (prix #2268/FNPDR/2017).
Materials
| Acetone, ACS, 99.5+% | Alfa Aesar | 67-64-1 | Dried over 4A sieves |
| Hafnium dichloride oxide octahydrate, 98+% (metals basis excluding Zr), Zr <1.5% | Alfa Aesar | 14456-34-9 | Hygroscopic |
| Lanthanum(III) nitrate hexahydrate | Aldrich | 10277-43-7 | Hygroscopic |
| Potassium nitrate, ReagentPlus R, ≥99.0% | Sigma-Aldrich | 7757-79-1 | Hygroscopic |
| Sodium nitrate, ReagentPlus R, ≥99.0% | Sigma-Aldrich | 7631-99-4 | |
| Ammonium hydroxide, 28% NH3, NH4OH | Alfa Aesar | 1336-21-6 | |
| Filter paper, P8 grade | Fisherbrand |
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