Her viser vi en unik, relativt lav temperatur, smeltet salt syntese metode for å forberede uniform komplekse metalloksid lantan hafnate nanopartikler.
Utviklingen av mulig syntese metoder er avgjørende for vellykket utforskningen av romanen egenskapene og potensielle anvendelser nanomaterialer. Her introduserer vi smeltet salt syntese (MSS) metoden for å lage metalloksid nanomaterialer. Fordeler over andre metoder er dens enkelhet, verdi, pålitelighet, skalerbarhet og generalizability. Bruker pyrochlore lantan hafnium oksid (La2Hf2O7) som en representant, beskriver vi MSS protokollen for vellykket syntese av komplekse metalloksid nanopartikler (NPs). Videre har denne metoden den unike evnen til å produsere NPs med ulike materiale funksjoner ved å endre ulike syntese parametere som pH, temperatur, varighet og post avspenning. Ved å finjustere disse parameterne, er vi kunne syntetisere svært ensartet, ikke-agglomerert og svært krystallinsk NPs. Som konkret eksempel variere vi partikkelstørrelse La2Hf2O7 NPs ved å endre konsentrasjonen av ammonium hydroksid løsningen brukt i MSS, som tillater oss å utforske ytterligere effekten av partikkelstørrelse på ulike egenskaper. Det forventes at metoden MSS blir mer populære syntese metode for nanomaterialer og mer viden ansatt i nanovitenskap og nanoteknologi samfunnet i de kommende år.
Molten-salt syntese (MSS) innebærer bruk av en smeltet salt som reaksjon medium for å forberede nanomaterialer fra konstituerende forgjengere. Smeltet salt fungerer som løsemiddelet og muliggjør forbedret reaksjon frekvensen av øker kontakt mellom reaktantene og mobilitet. Valg av smeltet salter er av avgjørende betydning for suksessen til metoden MSS. Salt må oppfylle noen viktige kvalitetskrav som lavt Smeltepunkt, kompatibilitet med reagere arter, og optimal vandig oppløselighet. Smeltet salt er brukt tidligere til å øke hastigheten på SSD reaksjoner; men i en forandring system, bare en liten mengde flytende salt brukes (i motsetning til i MSS, der en stor mengde legges til å danne et løselig medium for reaksjonen og kontrollere egenskapene til den syntetiserte nanomaterialer, som partikkelstørrelse, form og crystallinity etc.). I denne forstand er MSS en modifikasjon av metoden pulver metallurgisk og forskjellig fra den forandring metode1,2,3. Ansettelse av smeltet salt kan (1) øke reaksjon kinetic rate4 mens redusere syntese temperatur5, (2) øke graden av reactant homogenitet6, (3) kontrollere krystallinske størrelse og morfologi7, og (4) redusere nivået av agglomeration.
Nanomaterialer har vært i høy etterspørsel i forskning og romanen industrielle applikasjoner på grunn av sin overlegne elektriske, kjemiske, magnetisk, optisk, elektronisk og termisk. Deres egenskaper er svært avhengig av partikkelstørrelse, form og crystallinity. Sammenlignet med andre syntese metoder for nanomaterialer, har MSS flere åpenbare fordeler; Selv om det ikke ennå er så godt kjent som andre syntese metoder i nanovitenskap og nanoteknologi samfunnet. Som beskrevet nedenfor, inkluderer fordelene sin enkelhet, pålitelighet, skalerbarhet, generalizability, miljøvennlighet, kostnadseffektivitet, relativ lav syntese temperatur og gratis agglomeration av NPs med ren overflate8.
Enkelhet: MSS prosessen kan enkelt utføres i et enkelt laboratorium med grunnleggende fasiliteter. Ingen avansert instrumentering er nødvendig. Prekursorer og smeltet salter er stabil uten behov for hanskerommet håndtering.
Pålitelighet: Når alle første syntese parametere som konsentrasjon, pH, behandlingstid og avspenning temperatur er optimalisert, høy kvalitet og ren sikret når du bruker metoden MSS. Hvis alle syntese trinnene utføres riktig, kan de endelige produktene oppnå alle grunnleggende kriteriene nødvendig for god kvalitet NPs. En nybegynner til metoden MSS endres ikke syntese resultatet, så lenge alle syntese parametere er ordentlig og nøye fulgt.
Skalerbarhet: Metoden MSS evne til å produsere store mengder størrelse – og figur-kontrollerte partikler er avgjørende. Denne kritiske faktoren er viktig fordi det gir mulighet for fastsettelse av industrielle nytte og effektivitet. Sammenlignet med andre syntese teknikker, kan MSS enkelt generere en tilstrekkelig mengde produkter ved å justere stoichiometric mengder under prosessen. Dette er en viktig funksjon i metoden fordi det gir mulighet for praktisk på industrielt nivå, noe som gjør det til en mer ønsket tilnærming på grunn av denne skalerbarhet9,10.
Generalizability: Metoden MSS er også en generalizable teknikk for å produsere nanopartikler med forskjellige komposisjoner. Enkel metalloksider og noen fluorider, nanomaterialer av komplekse metalloksider som har blitt vellykket syntetisert av MSS metoden inkluderer perovskites (ABO3)10,11,12, 13,14, spinell (AB2O4)15,16, pyrochlore (en2B2O7)4,17,18, 19og orthorhombic strukturer (2B4O9)2,3,20. Mer spesifikt, inkluderer disse nanomaterialer ferrites, titanates, niobates, mullite, aluminium borate, wollastonite og kullsyreholdige apatitt7,9,21. Metoden MSS har også blitt brukt til å produsere nanomaterialer av ulike morphologies som nanospheres4, keramikk pulver organer22, nanoflakes23, nanoplates7, nanorods24og kjerne-shell nanopartikler (NPs)25, avhengig av syntese forhold og krystallstruktur av produktene.
Miljøvennlighet: flere tradisjonelle metoder for å lage nanomaterialer innebærer bruk av store mengder organiske løsemidler og giftige stoffer som genererer miljøspørsmål. Delvis eller total eliminering av bruken av dem og generering av avfall av bærekraftig prosesser er etterspurt av grønn kjemi i dag8. MSS metoden er en miljøvennlig tilnærming til å syntetisere nanomaterialer ansette nontoxic kjemiske og fornybare materialer og minimere avfall, biprodukter og energi.
Relative lave syntese temperatur: prosessering temperaturen av MSS metoden er relativt lavt sammenlignet med som nødvendig i en konvensjonell SSD reaksjon26 eller en sol-gel forbrenning reaksjon27. Denne lavere temperatur sparer energi mens produsere høykvalitets NPs.
Kostnadseffektivitet: The MSS metoden krever ikke noen harde eller kostbare reaktantene eller løsemidler eller alle spesialiserte instrumentering. Vann er hoved løsemiddelet brukes til vask bort brukt smeltet salter, som også er billig. Videre omfatter eksperimentell installasjon nødvendig bare enkelt glass og en ovn uten spesialiserte instrumentering, mens nanomaterialer med komplekse sammensetning og ildfaste natur kan produseres.
Agglomeration gratis med ren overflate: under MSS prosessen, dannet nanopartikler er godt spredt i smeltet salt medium på grunn av sin store antallet, sammen med sin høye ioniske styrke og viskositet1,6, 8. i motsetning til kolloidalt syntese og de fleste hydrotermal/solvothermal prosesser, ingen beskyttende overflatelaget er nødvendig for å hindre kontinuerlig vekst og agglomeration av dannet NPs.
Eksemplarisk syntese av komplekse metalloksid NPs av MSS metoden: The MSS metoden som en universell og kostnadseffektiv tilnærming til rasjonelt og store syntetisere nanomaterialer for et tilstrekkelig bredt spekter av materiale kan være svært velkommen av forskere jobber i nanovitenskap og nanoteknologi. Her lantan hafnate (La2Hf2O7) ble valgt på grunn av sin multifunksjonelle programmer X-ray tenkelig, høy k-dielektrisk luminescence Termografiske fosfor, termisk barriere belegg, og kjernefysisk avfall vert. La2Hf2O7 er også en god vert for dopet scintillators på grunn av byens høye befolkningstetthet, store effektiv atomnummer og muligheten for sin krystallstruktur å bli konstruert med en bestilling-lidelse fase overgang. Den tilhører A2B2O7 familie forbindelser, der “A” er en rare – earth element med en 3 oksidasjonstallet, og “B” representerer en overgang metalliske element med en 4-oksidasjonstallet. Imidlertid ildfaste natur og komplekse kjemiske sammensetning, har det vært en mangel på skikkelig lav temperatur og store syntese metoder for La2Hf2O7 NPs.
Grunnleggende vitenskapelige undersøkelser og avanserte teknologiske programmer er det en forutsetning monodisperse, høy kvalitet og uniform en2B2O7 NPs. Her bruker vi syntesen av svært krystallinsk La2Hf2O7 NPs som et eksempel for å demonstrere fordelene med metoden MSS. Som skjematisk vist i figur 1, La2Hf2O7 NPs ble utarbeidet av MSS-metoden med en prosess etter våre tidligere rapporter. Først, en enkelt-kilde komplekse forløper La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O var forberedt via en coprecipitation-rute. I det andre trinnet størrelse kontrollerbare La2Hf2O7 NPs ble syntetisert gjennom lettvinte MSS prosessen bruker én komplekse forløperen og nitrat blandingen (NaNO3: KNO3 = 1:1, molar forholdet) på 650 ° C 6t.
Figur 1 : Skjematisk av syntese trinnene for La 2 HF 2 O 7 NPs via metoden MSS. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Diagrammet i Figur 4 gir flere pålitelig kontrollerende faktorer av MSS metode og kontoer for alternativ trasé finjustere funksjonene i syntetisert nanomaterialer. I tillegg hjelper identifisere avgjørende skritt i MSS prosessen.
Figur 4 : Flytskjema for kritiske trinnene av MSS indikerer kontrollerende f…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker økonomisk støtte fra National Science Foundation under CHE (pris #1710160) og USDA National Institute of Food og landbruk (pris #2015-38422-24059). Ved Institutt for kjemi på University of Texas Rio Grande Valley er takknemlig for sjenerøs støtte fra avdelinger stipend fra Robert A. Welch Foundation (Grant nr. BX-0048). S.K.G. ønsker å takke USA-India Education Foundation (USIEF) og Institute for International Education (IIE) for hans Fulbright Nehru Postdoctoral Fellowship (pris #2268/FNPDR/2017).
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 |