Sales fundidas síntesis de nanopartículas de óxidos metálicos complejos
Summary
Aquí, demostramos un método de síntesis única, relativamente baja temperatura, sales fundidas para la preparación de nanopartículas de óxido de metal complejo uniforme lantano hafnate.
Abstract
El desarrollo de métodos de síntesis factible es fundamental para la correcta exploración de nuevas propiedades y posibles aplicaciones de los nanomateriales. Aquí, presentamos el método de síntesis de sales fundidas (MSS) para la fabricación de nanomateriales de óxido de metal. Ventajas sobre otros métodos incluyen su simplicidad, verdor, fiabilidad, escalabilidad y generalización. Usando óxido de hafnio pirocloruro lantano (La2Hf2O7) como representante, describimos el protocolo de la MSS para la exitosa síntesis de nanopartículas de óxido de metal complejo (NPs). Además, este método tiene la capacidad única de producir NPs con características diferentes del material cambiando distintos parámetros de síntesis tales como pH, temperatura, duración y posterior recocido. Por ajustar estos parámetros, que son capaces de sintetizar NPs altamente uniformes, no aglomerados y altamente cristalinos. Como un ejemplo concreto, variamos el tamaño de partícula de La2Hf2O7 NPs cambiando la concentración de la solución de hidróxido de amonio utilizada en el proceso de SMS, que nos permite profundizar en el efecto del tamaño de partícula en diferentes propiedades. Se espera que el método de MSS se convertirá en un método más popular de síntesis de nanomateriales y más ampliamente empleados en la comunidad de la Nanociencia y la nanotecnología en los próximos años.
Introduction
Síntesis de Molten salt (MSS) implica el uso de una sal fundida como el medio de reacción para la preparación de nanomateriales a partir de sus precursores constituyentes. La sal fundida actúa como disolvente y facilita la velocidad de reacción mejorada al aumentar el área de contacto entre los reactivos y su movilidad. La elección de sales fundidas es de suma importancia para el éxito del método MSS. La sal debe cumplir algunos requisitos de calidad importante como bajo punto de fusión, compatibilidad con especies reaccionan y óptima solubilidad acuosa. Sales fundidas se ha utilizado previamente para aumentar el índice de reacciones de estado sólidos; sin embargo, en un sistema de flujo, se utiliza sólo una pequeña cantidad de sales fundidas (a diferencia de MSS, en el que una gran cantidad se agrega para formar un medio soluble para la reacción y control de las propiedades de los nanomateriales sintetizados, cristalinidad, tamaño de partícula y forma etc.). En este sentido, el MSS es una modificación del método metalúrgico del polvo y diferentes de flujo de método1,2,3. El empleo de can sal fundida (1) aumento de reacción cinética tipo4 disminuyendo síntesis temperatura5, (2) aumentar el grado de homogeneidad de reactivo6, (3) control tamaño cristalino y morfología7y (4) reducir el nivel de aglomeración.
Nanomateriales han estado en alta demanda en investigación científica y nuevas aplicaciones industriales debido a sus superiores eléctricos, químicos, magnéticos, propiedades ópticas, electrónicas y térmicas. Sus propiedades son altamente dependientes en la cristalinidad, tamaño de partícula y forma. En comparación con otros métodos de síntesis de nanomateriales, MSS tiene varias ventajas obvias; Aunque no es aún tan conocido como otros métodos de síntesis en la comunidad de Nanociencia y nanotecnología. Como se describe a continuación, estas ventajas incluyen su simplicidad, confiabilidad, escalabilidad, generalización, respeto al medio ambiente, rentabilidad, temperatura relativa baja síntesis y aglomeración gratis de NPs con superficie limpia8.
Sencillez: El proceso de SMS puede fácilmente realizarse en un simple laboratorio con instalaciones básicas. No es necesario instrumentación sofisticada. Precursores y sales fundidas son aire estable sin necesidad de manejo de la caja de guante.
Fiabilidad: Una vez que se optimizan todos los parámetros iniciales de la síntesis como la concentración, pH, tiempo y temperatura de recocido, productos de alta calidad y puros son seguro cuando se utiliza el método MSS. Si todos los pasos de síntesis se lleva a cabo correctamente, los productos finales pueden alcanzar todos los criterios básicos necesarios para NPs de buena calidad. Un principiante al método MSS no cambiará el resultado de la síntesis, como todos los parámetros de síntesis se siguieron correctamente y con cuidado.
Escalabilidad: Capacidad del método MSS para producir grandes cantidades de partículas de tamaño y forma controlada es fundamental. Este factor crítico es importante porque permite la determinación de la eficacia y utilidad industrial. En comparación con otras técnicas de síntesis, MSS puede generar fácilmente una cantidad suficiente de productos ajustando cantidades estequiométricas en el proceso. Esto es una característica importante del método porque permite la conveniencia a nivel industrial, lo que es un enfoque más deseado debido a esta escalabilidad9,10.
Generalización: El método de MSS es también una técnica generalizable para producir nanopartículas con diferentes composiciones. Distintos óxidos metálicos simples y algunos fluoruros, nanomateriales de óxidos metálicos complejos que han sido sintetizados con éxito por el método de MSS incluyen perovskitas (ABO3)10,11,12, 13,14, espinela (AB2O4)15,16, pirocloruro (A2B2O7)4,17,18, 19y estructuras ortorrómbico (2B4O9)2,3,20. Más específicamente, estos nanomateriales incluyen ferritas, titanatos, niobates, mullita, borato de aluminio, wollastonita y Apatita carbonatada7,9,21. El método de MSS se ha utilizado también para producir nanomateriales de varias morfologías como nanoesferas4, polvo de cerámica cuerpos22, nanoflakes23, nanoplates7, nanorods24y core-shell nanopartículas (NPs)25, dependiendo de las condiciones de síntesis y estructura cristalina de los productos.
Respeto al medio ambiente: varios métodos tradicionales para la fabricación de nanomateriales implican el uso de grandes cantidades de solventes orgánicos y agentes tóxicos que generan problemas ambientales. La eliminación parcial o total del uso de ellos y la generación de residuos por procesos sostenibles está en demanda de la química verde en la actualidad8. El método de MSS es un enfoque respetuoso de síntesis de nanomateriales por empleo de materiales renovables y químicos no tóxicos y la minimización de residuos, subproductos y energía.
Temperatura relativa baja síntesis: la temperatura de proceso del método MSS es relativamente bajo en comparación a la requerida en una reacción de estado sólido convencionales26 o un sol-gel combustión reacción27. Esta baja temperatura ahorra energía mientras que la producción de alta calidad NPs.
Rentabilidad: método de la MSS no requiere cualquier ásperos o costosos reactivos o disolventes ni cualquier instrumentación especializada. El agua es el principal disolvente usado para lavar lejos las utilizadas sales fundidas, que son también baratas. Por otra parte, disposición experimental necesitada incluye sólo cristalería sencilla y un horno sin instrumentación especializada, mientras pueden producir nanomateriales con composición compleja y de naturaleza refractaria.
Aglomeración con superficie limpia: proceso durante el MSS, las nanopartículas formadas están bien dispersas en el medio sal fundido debido a su gran cantidad, utilizado junto con su alta iónico resistencia y viscosidad1,6, 8. a diferencia de síntesis coloidal y la mayoría de los procesos hidrotermales/solvothermal, capa superficial protectora no es necesaria para prevenir el continuo crecimiento y aglomeración de NPs formado.
Ejemplar síntesis de óxidos metálicos complejos NPs por el método de MSS: MSS el método como universal y rentables enfoque racional y a gran escala sintetizar nanomateriales para una gama suficientemente amplia de material puede ser dado la bienvenida altamente por los científicos trabajando en Nanociencia y nanotecnología. Aquí, hafnate de lantano (La2Hf2O7) fue seleccionado debido a sus aplicaciones múltiples funciones en las áreas de radiografía proyección de imagen, alto k-dieléctrico, luminiscencia, fósforo termografía, barrera térmica de la capa, y host de residuos nuclear. La2Hf2O7 es también un buen anfitrión de scintillators dopados debido a su alta densidad, gran número atómico eficaz y la posibilidad de su estructura cristalina Al diseñarse junto con una transición de fase de orden-desorden. Pertenece a la familia A2B2O7 de compuestos, en que “A” es un elemento de tierra rara – con un estado de oxidación + 3 y “B” representa un elemento metálico de transición con un estado de oxidación + 4. Sin embargo, debido a la naturaleza refractaria y composición química compleja, ha habido una falta de adecuada a baja temperatura y métodos de síntesis a gran escala para La2Hf2O7 NPs.
Para la investigación científica fundamental y aplicaciones tecnológicas avanzadas, es un prerrequisito para hacer monodispersa, alta calidad y uniforme un2B2O7 NPs. Aquí utilizamos la síntesis de La altamente cristalinos2Hf2O7 NPs como un ejemplo para demostrar las ventajas del método MSS. Como se muestra esquemáticamente en la figura 1, La2Hf2O7 NPs se prepararon por el método de MSS con un proceso de dos pasos después de nuestros informes anteriores. En primer lugar, un precursor complejo de fuente única de La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O se preparó mediante una ruta de coprecipitación. En el segundo paso, tamaño controlable La2Hf2O7 NPs fueron sintetizados mediante el proceso de SMS fácil usando la mezcla sola fuente complejo precursor y nitrato (NaNO3: KNO3 = relación molar de 1:1) en 650 ° C por 6 h.
Figura 1 : Esquema de la síntesis de los pasos para La 2 HF 2 O 7 NPs mediante el método de MSS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
La tabla en la figura 4 proporciona varios factores controladores confiables de las cuentas para caminos alternativos afinar las características de los nanomateriales sintetizados y MSS método. Además, ayuda a identificar los pasos críticos en el proceso de SMS.
Figura 4 : Diagrama de flujo de los pasos …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen el apoyo financiero proporcionado por la National Science Foundation bajo CHE (Premio #1710160) y el Instituto Nacional de alimentos de USDA y la agricultura (concesión #2015-38422-24059). El Departamento de química del Universidad de Texas Rio Grande Valley está agradecida por el generoso apoyo proveído por una beca departamental de la Fundación de Robert A. Welch (Grant no. BX-0048). S.K.G. quisiera agradecer a la Fundación de Educación de Estados Unidos-India (USIEF) y el Instituto de Educación Internacional (IIE) su Nehru de Fulbright Postdoctoral Fellowship (concesión #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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