Salzschmelze Synthese von komplexen Metall-Oxid-Nanopartikel
Summary
Hier zeigen wir ein einzigartiges, relativ niedrigen Temperaturen, Salzschmelze Synthese-Verfahren zur Herstellung einheitlicher Komplex Metalloxid Lanthan Hafnate Nanopartikel.
Abstract
Die Entwicklung von Machbaren Synthesemethoden ist entscheidend für die erfolgreiche Erforschung von neuartigen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten von Nanomaterialien. Hier stellen wir die Salzschmelze Synthese (MSS) Methode zur Herstellung von Metall-Oxid-Nanomaterialien. Vorteile gegenüber anderen Methoden sind seine Einfachheit, grün, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Generalizability. Mit Pyrochlor Lanthan Hafnium Oxid (La2Hf2O7) als Vertreter, beschreiben wir das MSS-Protokoll für die gelungene Synthese von komplexen Metall-Oxid-Nanopartikeln (NPs). Darüber hinaus hat diese Methode die einzigartige Fähigkeit, NPs mit unterschiedlichen Materialeigenschaften zu produzieren, indem verschiedene Synthese Parameter wie pH-Wert, Temperatur, Dauer und nach dem Glühen. Durch Optimierung dieser Parameter, können wir sehr gleichmäßige, nicht agglomeriert und hoch kristalline NPs zu synthetisieren. Als ein konkretes Beispiel variieren wir die Partikelgröße des La2Hf2O7 NPs durch Veränderung der Konzentration der Ammonium Hydroxid Lösung in der MSS-Prozess, der uns erlaubt, die Wirkung der Partikelgröße auf verschiedenen weiter zu erforschen verwendet Eigenschaften. Es wird erwartet, dass die MSS-Methode ein beliebter Synthese-Methode für Nanomaterialien und vieles mehr in den kommenden Jahren in der Nanowissenschaft und Nanotechnologie Gemeinschaft eingesetzt werden.
Introduction
Molten-Salz-Synthese (MSS) beinhaltet die Verwendung von einer Salzschmelze als dem Reaktionsmedium für die Zubereitung von Nanomaterialien aus ihrer konstituierenden Vorstufen. Das flüssige Salz wirkt als Lösungsmittel und erleichtert die verbesserte Reaktionsgeschwindigkeit erhöht die Kontaktfläche zwischen Reaktanden und ihre Mobilität. Die Wahl von Salzschmelzen ist von größter Bedeutung für den Erfolg der MSS-Methode. Das Salz muss einige wichtige Qualitätsanforderungen wie niedrigen Schmelzpunkt, Kompatibilität mit reagierenden Spezies und optimale wässrige Löslichkeit. Geschmolzenes Salz wurde früher verwendet, um die Kinetik der Festkörperreaktionen erhöhen; in einem Fluss-System, wird jedoch nur eine kleine Menge geschmolzenes Salz verwendet (im Gegensatz zu in Mitgliedstaaten, in denen eine große Menge hinzugefügt bilden lösliche Medium für die Reaktion und die Eigenschaften der synthetisierten Nanomaterialien wie Partikelgröße, Form und Kristallinität zu kontrollieren etc.). In diesem Sinne ist MSS eine Modifikation der Pulver-metallurgischen Methode und unterscheidet sich von der Flussmittel Methode1,2,3. Die Beschäftigung von geschmolzenem Salz kann (1) Erhöhung der Reaktion kinetischen Rate4 und gleichzeitig die Synthese Temperatur5, (2) Erhöhung der Grad der Reaktanten Homogenität6, (3) Steuern kristalliner Größe und Morphologie7und (4) die Senkung der Agglomeration.
Nanomaterialien wurden in der hohen Nachfrage in der wissenschaftlichen Forschung und neuartige industrielle Anwendungen wegen ihrer überlegenen elektrische, chemische, magnetisch, optischen, elektronischen und thermischen Eigenschaften. Ihre Eigenschaften sind stark abhängig von der Korngröße, Form und Kristallinität. Verglichen mit anderen Synthesemethoden für Nanomaterialien, hat MSS mehrere offensichtliche Vorteile; Obwohl es noch nicht so bekannt wie andere Synthesemethoden in der Nanowissenschaft und Nanotechnologie Gemeinschaft ist. Wie unten beschrieben, sind diese Vorteile seine Einfachheit, Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit, Generalizability, Umweltfreundlichkeit, Preis-/Leistungsverhältnis, relativ niedrige Synthese Temperatur und kostenlose Agglomeration von NPs mit sauberen Oberfläche8.
Einfachheit: Die MSS-Prozess kann leicht in einem einfachen Labor mit einfacher Ausstattung durchgeführt werden. Keine raffinierten Instrumentation ist erforderlich. Vorstufen und Salzschmelzen sind stabil, keine Notwendigkeit für Handschuhfach Handling.
Zuverlässigkeit: Sobald alle ersten Synthese Parameter wie Konzentration, pH-Wert, Bearbeitungszeit und Ausglühen Temperatur optimiert sind, sind qualitativ hochwertige und reine Produkte sicher, bei Verwendung der MSS-Methode. Wenn alle Synthese Schritte korrekt durchgeführt werden, können die Endprodukte alle grundlegenden Kriterien für gute NPs erreichen. Ein Neuling auf die MSS-Methode ändert nicht das Ergebnis der Synthese, solange alle Synthese Parameter ordnungsgemäß und sorgfältig befolgt werden.
Skalierbarkeit: Die MSS-Methode Fähigkeit, große Mengen an Größe und Form kontrolliert Partikel zu produzieren ist entscheidend. Dieser kritische Faktor ist wichtig, weil es für die Bestimmung der industriellen Nützlichkeit und Effizienz ermöglicht. Im Vergleich zu anderen Synthesetechniken, erzeugen MSS einfach eine ausreichende Menge an Produkten durch Anpassung stöchiometrische Mengen während des Prozesses. Dies ist ein wichtiges Merkmal der Methode, weil es für die Bequemlichkeit auf industrieller Ebene, so dass es einen mehr gewünschten Ansatz aufgrund dieser Skalierbarkeit9,10erlaubt.
Generalizability: Die MSS-Methode ist auch eine verallgemeinerbare Technologie zur Erzeugung von Nanopartikeln mit verschiedenen Kompositionen. Anders als einfache Metalloxide und einige Fluoride, Nanomaterialien von komplexen Metalloxide, die erfolgreich durch die MSS-Verfahren synthetisiert worden sind Perovskites (ABO3)10,11,12, 13,14, Spinell (AB2O4)15,16, Pyrochlor (A2B2O7)4,17,18, 19und orthorhombic Strukturen (A2B4O9)2,3,20. Genauer gesagt, sind diese Nanomaterialien Ferrite, Titanate, Niobates, Mullit, Aluminium Borat, Wollastonit und kohlensäurehaltige Apatit7,9,21. Die MSS-Methode ist auch verwendet worden, um Nanomaterialien von verschiedenen Morphologien z. B. Nanokugeln4Keramik Pulver Körper22, Nanoflakes23, Nanoplates7, Laptops24und Kern-Schale zu produzieren Nanopartikeln (NPs)25, je nach Synthese und Kristallstruktur der Produkte.
Umweltfreundlichkeit: mehrere traditionelle Methoden zur Herstellung von Nanomaterialien beinhalten die Verwendung von großen Mengen an organischen Lösungsmitteln und giftige Stoffe, die Umwelt zu erzeugen. Die teilweise oder vollständige Beseitigung der Gebrauch davon und die Entstehung von Abfall durch nachhaltige Prozesse ist in der Nachfrage der grünen Chemie heute8. Die MSS-Methode ist ein umweltfreundlicher Ansatz zu synthetisieren Nanomaterialien durch ungiftige chemische und erneuerbare Materialien und Energie, Abfälle und Nebenprodukte zu minimieren.
Relativ geringen Synthese Temperatur: die Verarbeitungstemperatur der MSS-Methode ist relativ niedrig im Vergleich zu jener in eine konventionelle Festkörper-Reaktion-26 oder eine Sol-Gel Verbrennung Reaktion27erforderlich. Diese niedrigere Temperatur spart Energie bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen NPs.
Preis-/Leistungsverhältnis: The MSS-Methode erfordert harten oder kostspieligen Reaktanden oder Lösungsmittel noch spezialisierte Instrumentierung. Wasser ist das wichtigste Lösungsmittel für das Waschen entfernt die verwendeten Salzschmelzen, die auch billig sind. Darüber hinaus enthält Versuchsaufbau benötigt nur einfache Gläser und ein Ofen ohne spezielle Instrumentierung, während Nanomaterialien mit komplexer Zusammensetzung und feuerfesten Art produziert werden können.
Agglomeration mit sauberen Oberfläche: während der MSS-Prozess, die gebildeten Nanopartikel sind gut dispergierte in das geschmolzene Salz Medium aufgrund seiner großen Menge verwendet, zusammen mit seiner hohen ionischen Stärke und Viskosität1,6, 8. im Gegensatz zu kolloidalem Synthese und die meisten hydrothermalen/Solvothermal Prozesse, keine schützende Oberflächenschicht ist notwendig, die kontinuierliches Wachstum und Agglomeration von der gebildeten NPs zu verhindern.
Vorbildliche Synthese von komplexen Metalloxid NPs durch die MSS-Methode: die MSS-Methode als eine universelle und kostengünstige Ansatz zur rational und groß angelegte synthetisieren Nanomaterialien für ein ausreichend breites Spektrum von Material von Wissenschaftlern sehr begrüßt werden kann Arbeiten im Bereich der Nanowissenschaften und Nanotechnologie. Hier, Hafnate Lanthan (La2Hf2O7) wurde gewählt wegen seiner multifunktionalen Anwendungen in den Bereichen von x-ray imaging, hohe k-Dielektrikum, Lumineszenz, thermografische Phosphor, thermische Barriere Beschichtung, und nukleare Abfälle Host. La2Hf2O7 ist auch ein guter Gastgeber für dotierten Szintillatoren aufgrund seiner hohen Dichte, große effektive Ordnungszahl und die Möglichkeit, seine Kristallstruktur, zusammen mit einer Bestellung-Störung Phasenübergang konstruiert werden. Es gehört zu den A2B2O7 Family von Verbindungen, in denen “A” ist eine seltene – Erd-Element mit einer Oxidationsstufe + 3, und “B” steht für ein Übergang metallisches Element mit einer Oxidationsstufe + 4. Aufgrund der feuerfesten Natur und komplexen chemischen Zusammensetzung wurde jedoch ein Mangel an richtige Niedertemperatur- und groß angelegte Synthesemethoden für La2Hf2O7 NPs.
Für grundlegende wissenschaftliche Untersuchung und fortschrittliche technologische Anwendungen ist es eine Voraussetzung monodispers, qualitativ hochwertige und einheitliche A2B2O7 NPs. Hier verwenden wir die Synthese von hoch kristalline La2Hf2O7 NPs als Beispiel die Vorteile der MSS-Methode zu demonstrieren. Wie in Abbildung 1schematisch dargestellt La2Hf2O7 NPs wurden durch die MSS-Methode mit einem zweistufigen Prozess nach unseren früheren Berichten vorbereitet. Erstens eine Hand komplexe Vorstufe des La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O wurde über eine Coprecipitation Route vorbereitet. Im zweiten Schritt Größe-steuerbare La2Hf2O7 NPs wurden synthetisiert durch den facile MSS-Prozess mit der Hand komplexe Vorläufer und Nitrat-Mischung (NaNO3: KNO3 = 1:1, molare Verhältnis) an 650 ° C für 6 h.
Abbildung 1 : Schematische Darstellung der Synthese Schritte für La 2 HF 2 O 7 NPs über die Methode der MSS. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Diagramm in Abbildung 4 bietet mehrere zuverlässige Steuerungsgrößen der MSS-Methode und Konten für alternative Wege um die Funktionen von synthetischer Nanomaterialien zu optimieren. Darüber hinaus hilft es, wichtige Schritte in der MSS-Prozess zu identifizieren.
Abbildung 4 : Flussdiagramm der kri…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken der finanzielle Unterstützung durch die National Science Foundation unter CHE (Award #1710160) und USDA nationalen Institut für Ernährung und Landwirtschaft (Award #2015-38422-24059). Der Fakultät für Chemie an der University of Texas Rio Grande Valley ist dankbar für die großzügige Unterstützung durch einen Abteilungs Zuschuss von Robert A. Welch Foundation (Grant Nr. BX-0048). S.K.G. möchte die Vereinigten Staaten und Indien Education Foundation (USIEF) und das Institut International Education (IIE) für seine Fulbright Nehru Postdoctoral Fellowship (Award #2268/FNPDR/2017) danken.
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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