निकल हाइड्रॉक्साइड नैनोशीट्स को माइक्रोवेव-असिस्टेड हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रिया द्वारा संश्लेषित किया जाता है। यह प्रोटोकॉल दर्शाता है कि माइक्रोवेव संश्लेषण के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रतिक्रिया तापमान और समय प्रतिक्रिया उपज, क्रिस्टल संरचना और स्थानीय समन्वय वातावरण को प्रभावित करता है।
हल्के अम्लीय परिस्थितियों में निकल हाइड्रॉक्साइड नैनोशीट्स के तेजी से, माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त हाइड्रोथर्मल संश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया जाता है, और सामग्री की संरचना पर प्रतिक्रिया तापमान और समय के प्रभाव की जांच की जाती है। अध्ययन की गई सभी प्रतिक्रिया स्थितियों के परिणामस्वरूप स्तरित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट का समुच्चय होता है। प्रतिक्रिया तापमान और समय सामग्री और उत्पाद उपज की संरचना को दृढ़ता से प्रभावित करते हैं। उच्च तापमान पर α-नी (ओएच) 2 को संश्लेषित करने से प्रतिक्रिया उपज बढ़ जाती है, इंटरलेयर रिक्ति कम हो जाती है, क्रिस्टलीय डोमेन आकार बढ़ जाता है, इंटरलेयर आयन कंपन मोड की आवृत्तियों को बदल देता है, और छिद्र व्यास को कम करता है। लंबे समय तक प्रतिक्रिया समय प्रतिक्रिया पैदावार में वृद्धि और समान क्रिस्टलीय डोमेन आकार में परिणाम. स्वस्थानी में प्रतिक्रिया दबाव की निगरानी से पता चलता है कि उच्च प्रतिक्रिया तापमान पर उच्च दबाव प्राप्त होते हैं। यह माइक्रोवेव-असिस्टेड संश्लेषण मार्ग एक तेज़, उच्च-थ्रूपुट, स्केलेबल प्रक्रिया प्रदान करता है जिसे कई ऊर्जा भंडारण, उत्प्रेरण, सेंसर और अन्य अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जाने वाले विभिन्न प्रकार के संक्रमण धातु हाइड्रॉक्साइड के संश्लेषण और उत्पादन पर लागू किया जा सकता है।
निकल हाइड्रॉक्साइड, नी (ओएच) 2, निकल-जस्ता और निकल-धातु हाइड्राइड बैटरी 1,2,3,4, ईंधन कोशिकाओं4, पानी इलेक्ट्रोलाइज़र 4,5,6,7,8,9, सुपरकैपेसिटर4, फोटोकैटलिस्ट4, आयन एक्सचेंजर्स10 सहित कई अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है, और कई अन्य विश्लेषणात्मक, विद्युत रासायनिक, और सेंसर अनुप्रयोगों 4,5. Ni(OH)2 में दो प्रमुख क्रिस्टल संरचनाएँ हैं: β-Ni(OH)2 और α-Ni(OH)211. β-नी (ओएच) 2 एक ब्रुसाइट-प्रकार एमजी (ओएच) 2 क्रिस्टल संरचना को गोद लेता है, जबकि α-नी (ओएच) 2 रासायनिक संश्लेषण4 से अवशिष्ट आयनों और पानी के अणुओं के साथ β-नी (ओएच) 2 का एक टर्बोस्ट्रैटिक रूप से स्तरित रूप है। α-नी (ओएच) 2 के भीतर, इंटरकलेटेड अणु निश्चित क्रिस्टलोग्राफिक स्थितियों के भीतर नहीं हैं, लेकिन अभिविन्यास स्वतंत्रता की एक डिग्री है, और नी (ओएच) 2 परतों 4,12 को स्थिर करने वाले इंटरलेयर गोंद के रूप में भी कार्य करते हैं। α-नी (ओएच) 2 के इंटरलेयर आयन औसत नी ऑक्सीकरण स्थिति13 को प्रभावित करते हैं और बैटरी 2,13,14,15, संधारित्र16, और पानी-इलेक्ट्रोलिसिस अनुप्रयोगों17,18 की ओर α-नी (ओएच) 2 (β-नी (ओएच) 2 के सापेक्ष) के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।
Ni(OH)2 को रासायनिक वर्षा, विद्युत रासायनिक वर्षा, सोल-जेल संश्लेषण, या हाइड्रोथर्मल/सॉल्वोथर्मल संश्लेषण4 द्वारा संश्लेषित किया जा सकता है। रासायनिक वर्षा और हाइड्रोथर्मल संश्लेषण मार्गों का व्यापक रूप से नी (ओएच) 2 के उत्पादन में उपयोग किया जाता है, और विभिन्न सिंथेटिक स्थितियां आकृति विज्ञान, क्रिस्टल संरचना और विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को बदल देती हैं। Ni(OH)2 की रासायनिक वर्षा में एक जलीय निकल (II) नमक के घोल में एक अत्यधिक बुनियादी घोल जोड़ना शामिल है। अवक्षेप के चरण और क्रिस्टलीयता तापमान और पहचान और निकल (द्वितीय) नमक और4 इस्तेमाल किया बुनियादी समाधान की सांद्रता द्वारा निर्धारित कर रहे हैं.
नी (ओएच) 2 के हाइड्रोथर्मल संश्लेषण में एक दबाव प्रतिक्रिया शीशी में अग्रदूत निकल (द्वितीय) नमक के जलीय घोल को गर्म करना शामिल है, जिससे प्रतिक्रिया परिवेश के दबाव4 के तहत सामान्य रूप से अनुमत से उच्च तापमान पर आगे बढ़ सकती है। हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रिया की स्थिति आमतौर पर β-नी (ओएच) 2 के पक्ष में होती है, लेकिन α-नी (ओएच) 2 को (i) एक इंटरकलेशन एजेंट का उपयोग करके, (ii) एक गैर-जलीय घोल (सॉल्वोथर्मल संश्लेषण) का उपयोग करके, (iii) प्रतिक्रिया तापमान को कम करना, या (iv) प्रतिक्रिया में यूरिया सहित, जिसके परिणामस्वरूप अमोनिया-इंटरक्लेटेड α-नी (ओएच) 24 होता है। निकल लवण से Ni(OH)2 का हाइड्रोथर्मल संश्लेषण दो-चरणीय प्रक्रिया के माध्यम से होता है जिसमें हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया (समीकरण 1) शामिल होती है जिसके बाद एक ओलेशन संघनन प्रतिक्रिया (समीकरण 2) होती है। 19
[नि(एच2ओ)एन] 2+ + एचएच2ओ ↔ [नी (ओएच) एच (एच2ओ) एन-एच](2-एच)++ एचएच3ओ + (1)
नी-ओएच + नी-ओएच2 नी-ओएच-नी + एच2ओ (2)
माइक्रोवेव रसायन विज्ञान नैनोस्ट्रक्चर्ड सामग्री की एक विस्तृत विविधता के एक-पॉट संश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया गया है और माइक्रोवेव ऊर्जा को गर्मी20 में परिवर्तित करने के लिए एक विशिष्ट अणु या सामग्री की क्षमता पर आधारित है। पारंपरिक हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रियाओं में, रिएक्टर के माध्यम से गर्मी के प्रत्यक्ष अवशोषण द्वारा प्रतिक्रिया शुरू की जाती है। इसके विपरीत, माइक्रोवेव की सहायता प्राप्त हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रियाओं के भीतर, हीटिंग तंत्र एक माइक्रोवेव क्षेत्र में दोलन करने वाले विलायक के द्विध्रुवीय ध्रुवीकरण और स्थानीयकृत आणविक घर्षण20 उत्पन्न करने वाले आयनिक चालन हैं। माइक्रोवेव रसायन प्रतिक्रिया कैनेटीक्स, चयनात्मकता, और रासायनिक प्रतिक्रियाओं20 की उपज को बढ़ा सकता है, जिससे यह नी (ओएच) 2 को संश्लेषित करने के लिए एक स्केलेबल, औद्योगिक रूप से व्यवहार्य विधि के लिए महत्वपूर्ण रुचि बना सकता है।
क्षारीय बैटरी कैथोड के लिए, α-नी (ओएच) 2 चरण β-नी (ओएच) 2 चरण13 की तुलना में बेहतर विद्युत रासायनिक क्षमता प्रदान करता है, और α-नी (ओएच) 2 को संश्लेषित करने के सिंथेटिक तरीके विशेष रुचि रखते हैं। α-नी (ओएच)2 माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त भाटा 21,22, माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त हाइड्रोथर्मल तकनीक23,24, और माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त आधार-उत्प्रेरित वर्षा25 शामिल हैं जो माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त विधियों की एक किस्म द्वारा संश्लेषित किया गया है। प्रतिक्रिया समाधान के भीतर यूरिया का समावेश महत्वपूर्ण रूप से प्रतिक्रिया उपज26, तंत्र26,27, आकृति विज्ञान, और क्रिस्टल संरचना27 को प्रभावित करता है। यूरिया के माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त अपघटन को α-नी (ओएच)227 प्राप्त करने के लिए एक महत्वपूर्ण घटक के रूप में निर्धारित किया गया था। एक एथिलीन ग्लाइकॉल-पानी के घोल में पानी की मात्रा को α-नी (ओएच)2 नैनोशीट्स24 के माइक्रोवेव-असिस्टेड संश्लेषण की आकृति विज्ञान को प्रभावित करने के लिए दिखाया गया है। α-नी (ओएच) 2 की प्रतिक्रिया उपज, जब एक जलीय निकल नाइट्रेट और यूरिया समाधान का उपयोग करके माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त हाइड्रोथर्मल मार्ग द्वारा संश्लेषित किया जाता है, तो समाधान पीएच26 पर निर्भर पाया गया। एच 2ओ, निकल नाइट्रेट और यूरिया के अग्रदूत समाधान का उपयोग करके α-नी (ओएच) 2 नैनोफ्लॉवर संश्लेषित माइक्रोवेव के एक पूर्व अध्ययन में पाया गया कि तापमान (80-120 डिग्री सेल्सियस की सीमा में) एक महत्वपूर्ण कारक नहीं था, बशर्ते प्रतिक्रिया यूरिया हाइड्रोलिसिस तापमान (60 डिग्री सेल्सियस)27से ऊपर आयोजित की जाती है। निकल एसीटेट टेट्राहाइड्रेट, यूरिया और पानी के अग्रदूत समाधान का उपयोग करके नी (ओएच) 2 के माइक्रोवेव संश्लेषण का अध्ययन करने वाले एक हालिया पेपर में पाया गया कि 150 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, सामग्री में α-नी (ओएच) 2 और β-नी (ओएच) 2 चरण दोनों शामिल हैं, जो इंगित करता है कि तापमान नी (ओएच) 228 के संश्लेषण में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर हो सकता है।
माइक्रोवेव-असिस्टेड हाइड्रोथर्मल संश्लेषण का उपयोग उच्च-सतह क्षेत्र α-नी (ओएच) 2 और α-सीओ (ओएच) 2 का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है, जो धातु नाइट्रेट्स और यूरिया से बना अग्रदूत समाधान का उपयोग करके एथिलीन ग्लाइकॉल/एच2ओ समाधान 12,29,30,31 में भंग हो जाता है। क्षारीय Ni-Zn बैटरी के लिए धातु-प्रतिस्थापित α-Ni(OH)2 कैथोड सामग्री को बड़े प्रारूप वाले माइक्रोवेव रिएक्टर12के लिए डिज़ाइन किए गए स्केल-अप संश्लेषण का उपयोग करके संश्लेषित किया गया था। माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 को β-नी (ओएच) 2 नैनोशीट्स12, ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (ओईआर) इलेक्ट्रोकैटलिस्ट29 के लिए निकल-इरिडियम नैनोफ्रेम, और ईंधन कोशिकाओं और पानी इलेक्ट्रोलाइजर्स30 के लिए द्विक्रियाशील ऑक्सीजन इलेक्ट्रोकैटलिस्ट प्राप्त करने के लिए अग्रदूत के रूप में भी इस्तेमाल किया गया था। इस माइक्रोवेव प्रतिक्रिया मार्ग को अम्लीय ओईआरइलेक्ट्रोकैटलिस्ट 31 और द्विक्रियाशील इलेक्ट्रोकैटलिस्ट30 के लिए कोबाल्ट-इरिडियम नैनोफ्रेम के अग्रदूत के रूप में सीओ (ओएच) 2 को संश्लेषित करने के लिए भी संशोधित किया गया है। माइक्रोवेव की सहायता से संश्लेषण भी Fe प्रतिस्थापित α-नी (ओह)2 nanosheets का उत्पादन करने के लिए इस्तेमाल किया गया था, और Fe प्रतिस्थापन अनुपात संरचना और चुंबकीयकरण32 बदल जाता है. हालांकि, α-नी (ओएच) 2 के माइक्रोवेव संश्लेषण के लिए एक चरण-दर-चरण प्रक्रिया और पानी-एथिलीन ग्लाइकॉल समाधान के भीतर अलग-अलग प्रतिक्रिया समय और तापमान क्रिस्टलीय संरचना, सतह क्षेत्र और छिद्र को कैसे प्रभावित करता है, और सामग्री के भीतर इंटरलेयर आयनों का स्थानीय वातावरण पहले रिपोर्ट नहीं किया गया है।
यह प्रोटोकॉल एक तीव्र और स्केलेबल तकनीक का उपयोग करके α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट के उच्च-थ्रूपुट माइक्रोवेव संश्लेषण के लिए प्रक्रियाएं स्थापित करता है। प्रतिक्रिया तापमान और समय के प्रभाव को विविध और स्वस्थानी प्रतिक्रिया निगरानी, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, ऊर्जा फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी, नाइट्रोजन पोरोसिमेट्री, पाउडर एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी), और फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी में उपयोग करके मूल्यांकन किया गया था ताकि प्रतिक्रिया उपज, आकृति विज्ञान, क्रिस्टल संरचना, ताकना आकार, और α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट के स्थानीय समन्वय वातावरण पर सिंथेटिक चर के प्रभावों को समझा जा सके।
माइक्रोवेव संश्लेषण नी (ओएच) 2 उत्पन्न करने के लिए एक मार्ग प्रदान करता है जो पारंपरिक हाइड्रोथर्मल तरीकों (4.5 एच के विशिष्ट प्रतिक्रिया समय)38के सापेक्ष काफी तेज (13-30 मिनट प्रतिक्रिया समय) है?…
The authors have nothing to disclose.
S.W.K. और C.P.R. कृतज्ञतापूर्वक नौसेना अनुसंधान नौसेना अंडरसी रिसर्च प्रोग्राम (अनुदान संख्या N00014-21-1-2072) के कार्यालय से समर्थन स्वीकार करते हैं। SWK नौसेना अनुसंधान उद्यम इंटर्नशिप कार्यक्रम से समर्थन स्वीकार करता है। C.P.R और C.M. प्रतिक्रिया स्थितियों के विश्लेषण के लिए नेशनल साइंस फाउंडेशन पार्टनरशिप फॉर रिसर्च एंड एजुकेशन इन मैटेरियल्स (PREM) सेंटर फॉर इंटेलिजेंट मैटेरियल्स असेंबली, अवार्ड नंबर 2122041 से समर्थन स्वीकार करते हैं।
ATR-FTIR | Bruker | Tensor II FT-IR spectrometer equipped with a Harrick Scientific SplitPea ATR micro-sampling accessory | |
Bath sonicator | Fisher Scientific | 15-337-409 | — |
Ethanol | VWR analytical | AC61509-0040 | 200 proof |
Ethylene Glycol | VWR analytical | BDH1125-4LP | 99% purity |
Falcon Centrifuge tubes | VWR analytical | 21008-940 | 50 mL |
KimWipes | VWR analytical | 21905-026 | — |
Lab Quest 2 | Vernier | LABQ2 | — |
Microwave Reactor | Anton Parr | 165741 | Monowave 450 |
Ni(NO3)2 · 6 H2O | Ward's Science | 470301-856 | Research lab grade |
pH Probe | Vernier | PH-BTA | Calibrated vs standard pH solutions (pH= 4, 7, 11) |
Porosemeter | Micromeritics | — | ASAP 2020. Analysis software: Micromeritics, version 4.03 |
Powder x-ray diffactometer | Bruker | AXS Advanced Poweder x-ray diffractometer; d-spacing, and crystallite size analyses were performed using Highscore XRD software, and crystal structures were created using VESTA 3 software. | |
Reaction vial | Anton Parr | 82723 | 30 mL G30 wideneck, 20 mL max fill capacity |
Reaction vial locking lid | Anton Parr | 161724 | G30 Snap Cap |
Reaction vial PTFE septum | Anton Parr | 161728 | Wideneck |
Scanning electron microscope | FEI | — | Helios Nanolab 400 |
Urea | VWR analytical | BDH4602-500G | ACS grade |