Gesmolten-zout synthese van complexe metaaloxide nanodeeltjes

Summary

Hier tonen we een unieke, relatief lage temperatuur, gesmolten zout synthese-methode voor het opstellen van uniforme complexe metaaloxide lanthanium hafnate nanodeeltjes.

Abstract

De ontwikkeling van haalbare synthesemethoden is essentieel voor de succesvolle exploratie van nieuwe eigenschappen en toepassingsmogelijkheden van nanomaterialen. Hier introduceren we de gesmolten-zout synthese (MSS) methode voor het maken van metaaloxide nanomaterialen. Voordelen ten opzichte van andere methoden omvatten haar eenvoud, groenheid, betrouwbaarheid, schaalbaarheid en dan. Met behulp van pyrochloor hafnium lanthaanoxide (La₂van Hf₂O₇) als vertegenwoordiger, beschrijven we het MSS-protocol voor de geslaagde synthese van complexe metaaloxide nanodeeltjes (NPs). Deze methode heeft bovendien de unieke vermogen om te produceren van NPs met verschillende materiële functies door verschillende synthese parameters zoals pH, temperatuur, duur en na gloeien te wijzigen. Door “fine-tuning”-deze parameters, kunnen wij zeer uniform, niet-geperst en zeer kristallijne NPs synthetiseren. Als een specifiek voorbeeld variëren wij de deeltjesgrootte van de La₂Hf₂O₇ NPs door het veranderen van de concentratie van de ammoniumhydroxide-oplossing gebruikt bij de MSS-proces, dat laat ons toe om verder te onderzoeken met het effect van deeltjesgrootte op verschillende Eigenschappen. Verwacht wordt dat de methode MSS een meer populaire synthese methode voor nanomaterialen en meer algemeen in de nanowetenschap en nanotechnologie Gemeenschap werkzaam in de komende jaren zal worden.

Introduction

Gesmolten-zout synthese (MSS) impliceert het gebruik van een gesmolten zout als de reactie medium voor het voorbereiden van nanomaterialen van hun samenstellende precursors. Het gesmolten zout fungeert als het oplosmiddel en de verbeterde reactiesnelheid vergemakkelijkt doordat het contactoppervlak tussen reactanten en hun mobiliteit. De keuze van gesmolten zouten is van het allergrootste belang voor het welslagen van de MSS-methode. Het zout moet voldoen aan enkele belangrijke kwaliteitseisen zoals lage smeltpunt, compatibiliteit met reagerende soorten en optimale oplosbaarheid in water. Gesmolten zout nog eerder is gebruikt om het tarief van solid-state reacties; echter, in een systeem van flux, slechts een kleine hoeveelheid van gesmolten zout wordt gebruikt (in tegenstelling tot in MSS, waarin een grote hoeveelheid aan vormen een oplosbare medium voor de reactie en de controle van de eigenschappen van de gesynthetiseerde nanomaterialen, zoals deeltjesgrootte, vorm en kristalliniteit is toegevoegd enz.). In die zin is MSS een wijziging van de poeder metallurgische methode en verschillend van de flux methode^1,2,3. De werkgelegenheid van gesmolten zout kan (1) toename reactie kinetische tarief⁴ terwijl er een afname van synthese temperatuur⁵, (2) verhoging van de mate van reactieve homogeniteit⁶, (3) kristallijne grootte en morfologie⁷, en bepalen (4) vermindering van het niveau van de agglomeratie.

Nanomaterialen zijn in hoge vraag in wetenschappelijk onderzoek en nieuwe industriële toepassingen vanwege hun superieure elektrische, chemische, magnetische, optische, elektronische en thermische eigenschappen. Hun eigenschappen zijn sterk afhankelijk van de deeltjesgrootte, vorm en kristalliniteit. Vergeleken met andere synthesemethoden voor nanomaterialen, heeft MSS een aantal duidelijke voordelen; Hoewel, het is nog niet zo bekend als andere synthesemethoden in de Gemeenschap van nanowetenschap en nanotechnologie. Zoals hieronder beschreven, omvatten deze voordelen zijn eenvoud, betrouwbaarheid, schaalbaarheid, dan, milieuvriendelijkheid, kosteneffectiviteit, synthese van relatieve lage temperatuur en gratis agglomeratie van NPs met schoon oppervlak⁸.

Eenvoud: Het MSS proces kan gemakkelijk plaatsvinden in een eenvoudige laboratorium met basisfaciliteiten. Geen verfijnde instrumentatie is nodig. Precursoren en gesmolten zouten zijn stabiel met geen noodzaak voor handschoenenkastje hanteren.

Betrouwbaarheid: Zodra alle initiële synthese parameters zoals concentratie, pH, verwerkingstijd en gloeien temperatuur zijn geoptimaliseerd, kwalitatief hoogwaardige en pure producten zijn verzekerd van bij het gebruik van de methode MSS. Als alle synthese stappen correct zijn uitgevoerd, kunnen de eindproducten alle fundamentele criteria nodig voor kwalitatief goede NPs bereiken. Een beginner tot de MSS-methode verandert niet het resultaat van de synthese, zolang alle synthese parameters worden correct en zorgvuldig gevolgd.

Schaalbaarheid: Van de methode van de MSS vermogen om te produceren grote hoeveelheden van grootte en vorm-gestuurde deeltjes is van cruciaal belang. Deze kritische factor is belangrijk, omdat het voorziet in de bepaling van industriële nut en efficiëntie. Vergeleken met andere technieken synthese, kan MSS gemakkelijk een voldoende hoeveelheid producten genereren door stoichiometrische bedragen aan te passen tijdens het proces. Dit is een belangrijk kenmerk van de methode, omdat het zorgt voor gemak op het industriële niveau, waardoor het een meer gewenste aanpak als gevolg van deze schaalbaarheid^9,10.

Dan: De MSS-methode is ook een gegeneraliseerd techniek voor de productie van nanodeeltjes met verschillende samenstellingen. Anders dan eenvoudige metaaloxiden en sommige fluoriden, omvatten nanomaterialen van complexe metaaloxiden, die hebben al met succes gesynthetiseerd door de MSS-methode perovskites (ABO₃)^{10,11,12, 13,14}, spinel (AB₂O₄)^15,16, pyrochloor (een₂B₂O₇)^{4,17,18, 19}, en orthorhombisch structuren (een₂B₄O₉)^2,3,20. Meer in het bijzonder omvatten deze nanomaterialen ferrieten, titanates, niobates, mulliet, aluminium-boraat, wollastoniet en koolzuurhoudende apatiet^7,9,21. De MSS-methode is ook gebruikt voor de productie van nanomaterialen van diverse morphologies zoals nanospheres⁴, keramiek poeder organen²², nanoflakes²³, nanoplates⁷, nanostaafjes²⁴en core-shell nanodeeltjes (NPs)²⁵, afhankelijk van de voorwaarden van de synthese en kristalstructuur van de producten.

Milieuvriendelijkheid: verschillende traditionele methoden voor het maken van nanomaterialen wordt gekenmerkt door het gebruik van grote hoeveelheden van organische oplosmiddelen en toxische agentia die genereren van milieukwesties. De gehele of gedeeltelijke afschaffing van het gebruik van hen en het ontstaan van afval door duurzame processen is in het aanbod van groene chemie tegenwoordig⁸. De MSS-methode is een milieuvriendelijke aanpak voor het synthetiseren van nanomaterialen door dienst niet giftig chemische en hernieuwbare materialen en het minimaliseren van afval, bijproducten en energie.

Synthese van relatieve lage temperatuur: de temperatuur van de verwerking van de MSS-methode is relatief laag in vergelijking met die in een conventionele solid-state reactie²⁶ of een sol-gel verbranding reactie²⁷vereist. Deze lagere temperatuur bespaart energie terwijl de productie van kwalitatief hoogwaardige NPs.

Kosteneffectiviteit: The MSS methode vereist geen harde of dure reactanten of oplosmiddelen noch enige gespecialiseerde instrumentatie. Water is de belangrijkste oplosmiddel gebruikt voor het wegwassen van de gebruikte gesmolten zouten, die ook goedkoop zijn. Bovendien, experimentele opstelling nodig bevat alleen eenvoudige glaswerk en een oven zonder gespecialiseerde instrumentatie, terwijl nanomaterialen met complexe samenstelling en vuurvaste aard kan worden geproduceerd.

Agglomeratie gratis met schoon oppervlak: tijdens de MSS proces, de gevormde nanodeeltjes zijn goed verspreid in het gesmolten zout medium als gevolg van de grote hoeveelheid, gebruikt samen met haar hoge Ionische sterkte en viscositeit^{1,6, 8}. in tegenstelling tot colloïdale synthese en meeste hydrothermale/solvothermal processen, geen beschermende toplaag is noodzakelijk om te voorkomen dat de continue groei en de agglomeratie van de gevormde NPs.

Voorbeeldige synthese van complexe metaaloxide NPs door de MSS-methode: de MSS methode als een universele en kosteneffectieve benadering van rationeel en grootschalige synthetiseren van nanomaterialen voor een voldoende breed spectrum van materiaal kan zeer worden toegejuicht door wetenschappers werken in de nanowetenschap en nanotechnologie. Hier, lanthanium hafnate (La₂van Hf₂O₇) werd geselecteerd vanwege haar multifunctionele toepassingen op het gebied van X-ray imaging, hoge k-diëlektrische luminescentie, Thermografisch fosfor, thermische barrière coating, en nucleaire afval host. La₂Hf₂O₇ is ook een goede gastheer voor gedoopt scintillatoren vanwege zijn hoge dichtheid, grote effectieve atoomnummer en de mogelijkheid van de kristalstructuur te worden ontworpen samen met een faseovergang volgorde-stoornis. Het behoort tot de A₂B₂O₇ familie van verbindingen, waarin “A” is een rare – earth element met een oxidatiegetal + 3, en “B” vertegenwoordigt een overgang metalen element met een oxidatiegetal + 4. Echter, als gevolg van de vuurvaste aard en ingewikkelde chemische samenstelling, is er een gebrek aan juiste lage-temperatuur en grootschalige synthesemethoden voor La₂Hf₂O₇ NPs.

Voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek en geavanceerde technologische toepassingen is het een voorwaarde te maken monodispers, kwalitatief hoogwaardige, uniforme een₂B₂O₇ NPs. Hier gebruiken we de synthese van zeer kristallijne La₂Hf₂O₇ NPs als een voorbeeld om aan te tonen van de voordelen van de MSS-methode. Schematisch weergegeven in figuur 1, La₂Hf₂O₇ NPs werden voorbereid door de methode MSS met een proces van twee stappen, na onze vorige verslagen. Eerste, een single-source complexe voorloper van La(OH)₃· HfO(OH)₂· n H₂O was bereid via een coprecipitation route. In de tweede stap, grootte-controleerbaar La₂Hf₂O₇ NPs werden gesynthetiseerd door middel van de facile MSS proces met behulp van de single-source complex voorloper en nitraat mengsel (NaNO₃: KNO₃ = 1:1, molaire verhouding) op 650 ° C gedurende 6 uur.

Figuur 1 : Schematische voorstelling van de synthese stappen voor La ₂ Hf ₂ O ₇ NPs via de methode MSS. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Protocol

1. bereiding van de complexe voorloper van de Single-Source via een Coprecipitation Route Bereiding van lanthaan en hafnium voorloper-oplossing Meet 200 mL gedestilleerd water in een bekerglas van 500 mL en start roeren bij 300 omwentelingen per minuut. Ontbinden Lanthanium en hafnium precursoren in het opzwepende water [dat wil zeggen, 2.165 g lanthanium nitraat-hexahydraat (La (3)3•6H2O) en 2.0476 g van hafnium dichloride oxide octahydrate (HfOCl<…

Representative Results

De als-gesynthetiseerd La2Hf2O7 NPs kan bestaan in de bestelde pyrochloor fase. Chemische doping, druk en temperatuur kunnen echter wel de fase om het defect fluoriet wijzigen. Het is mogelijk dat ons materiaal hebben meerdere fasen; Nochtans, concentreren wij hier alleen op de pyrochloor fase voor eenvoud. Röntgendiffractie (XRD) en Ramanspectroscopie hebben gebruikt om hun fase zuiverheid, structuur en fase systematisch te karakteriseren. De kristallijn…

Discussion

De grafiek in Figuur 4 biedt verschillende betrouwbare controlerende factoren van de MSS-methode en de jaarrekening voor alternatieve trajecten te fine-tunen van de functies van gesynthetiseerde nanomaterialen. Daarnaast helpt het identificeren van de kritische stappen in het proces van MSS.

Figuur 4 : Stroo…

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