향상된 전자 전도성 특성을 가진 철 - 도핑 된 알루미 노 실리케이트 나노 튜브의 합성 및 특성
Summary
여기서는 합성 및 Fe 도핑 알루미 나노 튜브의 특성을 프로토콜을 제시한다. 재료는 Si 및 알루미늄 전구체를 포함하는 혼합물 • 6H 2 O의 FeCl3의 첨가시 또는 예비 성형 알루미 나노 튜브의 합성 후 이온 교환에 의해 어느 졸겔 합성에 의해 얻어진다.
Abstract
프로토콜의 목적은 화학식 (OH) 3 알 2-X의 Fe의 X O 3 SiOH와 함께 imogolite 형의 Fe 도핑 알루미 나노 튜브를 합성 할 수있다. 철 도핑하면 및 아조 염료, 폐수 및 지하수의 유기 오염 물질의 중요한 클래스 향해 흡착 특성을 수정에 imogolite의 밴드 갭, 화학식 (OH) 3 알 2 O 3 SiOH와의 절연막을 낮추는 것을 목적으로 .
철 – 도핑 된 나노 튜브는 두 가지 방법으로 획득된다 :의 FeCl3는 SI와 Al 전구체의 수성 혼합물에 첨가하고, 미리 형성된 나노 튜브는 50ml을 • 6H 접촉 넣어 합성 후 로딩하는 것이다 직접 합성에 의해 2 O 수용액. 철 3+ 모두에 의해 합성 방법의 Al, 동형 치환 3+에서 나노 튜브 구조체를 유지하면서 발생한다. 동형 치환은 참으로 질량 분율로 제한됩니다중 ~ 1.0 %의 Fe,보다 높은 Fe 함유량에서 사람 (즉, 1.4 %의 Fe의 질량 분율) 로딩 절차 채용 철 특히 2 O 3 클러스터를 형성한다. 물질의 물리 화학적 특성은 X 선 분말 회절 (XRD), -196 ° C, 고분해능 투과 전자 현미경 (HRTEM) 확산 반사율 (DR) UV-비스 분광법에서 N 2 흡착 등온선과 의해 다룬다 ζ 전위 측정. 가장 중요한 결과는 나노 튜브를 형성하는 동안 발생하는 섬세 가수 평형을 교란하지 않고 예비 성형 imogolite에 합성 후 로딩하여 (나노 튜브의 외측 표면 상에 위치) 알 3+ 이온을 대체 할 수있는 가능성이다. 로딩 과정 동안, 음이온 교환기가 발생 나노 튜브의 외면에 알 3+ 이온의 Fe 3+ 이온으로 치환되는 경우. 철 도핑 된 알루미 노 실리케이트 나노 튜브, 알의 동형 치환 3+ 철 내가 3+에 의해도핑 imogolite의 밴드 갭에 영향을 미치는 것으로 밝혀 s는. 그럼에도 불구하고, 나노 튜브의 외측 표면의 Fe 3+ 사이트 수용액에서 발생 리간드 변위 메커니즘을 통해, 아조 염료 애시드 오렌지 (7)와 같은 유기 부분을 조정할 수있다.
Introduction
용어 나노 튜브 (NT)는 보편적으로 카본 나노 튜브 (1), 대부분의 연구 된 화학 개체 오늘 하나와 연관된다. 덜 공지 된 알루미 NTS도 (주로 화산 토양) 자연에 존재 이외에, 2,3-를 합성 할 수 있다는 사실이다. 외면과 비에 알 (OH) 알와 Al-O-Al 계기로 단층 NT로 발생하는 2 O 3 SiOH와 4,5- Imogolite (IMO)의 화학식을 가진 수화 된 알루미 노 실리케이트 (OH) 3 알, 내부 일 6에 상호 작용하는 실란 올 (SiOH와). 형상에 관하여, 길이가 수백 나노 미터 3,5,7에 몇 나노 미터마다 다릅니다. 외경 100 ℃에서 synthetized 샘플 2.5-2.7 nm의 증가 천연 IMO 2.0 nm의 ~ 반면 내경은 1.0 내지 5의 정수이다. 25 ° C에서 합성 천연 IMO 대신 8에 가까운 외부 직경이 국세청을 산출한다. 최근에는 도시되었음을 디와 NTSfferent 외경도 9의 합성시 사용되는 산을 변경함으로써 얻어 질 수있다. 건조 분말에서, IMO 국세청은 거의 육각형 포장 (그림 1)과 함께 번들로 조립한다. 국세청의 이러한 배열은 기공 10, 11 및 관련 표면 (12) 세 종류를 일으킨다. 적절한 내 튜브 A는 구멍 (직경 1.0 ㎚), 작은 B 기공 (0.3-0.4 nm의 폭) 마지막으로, 더 큰 C 모공이 번들 중 슬릿 기공 (그림 1로 발생, 번들 내에서 세 정렬 국세청 사이에 발생하고, 또한 ). 두 화학 성분 및 기공 크기는 물질의 흡착 특성에 영향을 미친다. 기공의 표면들이 SiOH와 늘어서으로 매우 소수성이고, H 2 O, NH 3, CO (12)와 같은 증기 및 가스와 상호 작용할 수있다. 그들이 작기 때문에, B 모공은 C 모공이 페놀과 같은 큰 분자와 상호 작용하는 반면, 심지어 물 10, 11 같은 작은 분자, 거의 액세스 할 수 있습니다 <s> 6 1,3,5- 트리 에틸 (12)입니다. 아마라 등은. 최근에 밀접하게 포장 번들로 구성 국세청의 hexagonalization이 (imogolite 아날로그) aluminogermate NTS (13)에서 발생 보여 주었다. 이 현상은, 지금까지 알루미 노 실리케이트 국세청과 관찰되지 않지만,뿐만 아니라 B 모공의 접근성에 영향을 미칠 수 있습니다.
IMO 관련 화학 물질에 대한 관심이 부분적으로 내부 및 국세청의 외면 모두의 조성을 변화의 가능성, 최근 증가하고있다. 탈수 산화가 결과적 NT 붕괴와 300 ° C 6,14-16 이상 발생 이후 수산기의 과다의 존재는, IMO 열 분해에 매우 민감 렌더링합니다.
내면은 식 (OH) 3 알 2 단일 또는 이중벽 18 NTS 하나의 형성을 야기 게르마늄 원자 17와 Si 원자의 치환을 포함한 여러 방법에 의해 변형 될 수있다 </suB> O 3시 1-X 창 19 OH X. 유기 작용기 합성 후 래프팅은 R이 유기 라디칼 인 화학식 20 (OH) 3 알 2 O 3 SIO-R과 NTS의 형성을 이끈다. 식 (OH) 3 알 2 O 3의 Si-R (R = -CH 3 라디칼 유기 직접 Si 원자에 연결된 하나 형성 하이브리드 NTS 폼을 포함하는 실리콘 전구체의 존재 하에서 하나의 냄비 합성 – 스루 (CH 2) 3 -NH 2) 21, 22.
외부 표면의 변형 imogolite / 폴리머 복합 재료 (23)의 제조를위한 최선의 관심의 정전 상호 작용 또는 공유 결합 중 하나를 포함한다. 전자의 방법은 NTS의 외면과 적당한 반대 – 이온 (예 octadecylphosphonate) (24, 25) 사이의 전하 정합에 기초한다; 후자의 방법은 미리 형성된 사이의 반응을 의미IMO 국세청 및 유기 실란 (예를 들어, 3 aminopropylsilane) 26.
물, IMO 및 이온 사이의 정전 기적 상호 작용으로 인해 다음과 같은 평형 (27)로 가능하다
등 (OH) 알 + H + = 알루미늄 (OH 2) + 등 (1)
SiOH와 그런가 = – + H + (2)
오염 된 물 28-32에서 음이온 / 양이온 유지에 테스트 한 충전 표면에 선도.
본 연구 우려 아직 외면의 다른 변형 (즉, 팔면체 (동형의 교체) 알 3+의 Fe 3+와 알 이하 3+ / 철 3+ 그대로 함). 이하는 IMO 국세청에 IS 알 3+ / 철 3+에 대해 알려진 반면,이 현상은, 미네랄이 실제로 일반적이다.
도핑 직결 창간호 철 t의 총량은모자는 심각한 구조적 변형을 유발하지 않고 국세청에 의해 호스팅 할 수 있습니다. 철 도핑 IMO에 선구적인 실험 작업은 국세청이 철 질량 분율보다 높은 1.4 % (33)에 형성하지 않는 것으로 나타났다. 연속 이론적 인 계산은 철 중 하나를 동일 구조로 알을 대체 또는 "불량 사이트"(34)를 만들 수 있다는 것을 보여 주었다. 이러한 결함 (즉,이 철 옥소 수산화물 클러스터)는 2.0-1.4 eV의 34 4.7 eV의 IMO에서의 밴드 갭 (전기 절연체) (34,35)를 감소되어 있었다. 따라서, 우리는 최근의 Fe 3+의 존재가 2.4-2.8 eV의 36 IMO의 밴드 갭 (E의 g = 4.9 eV의)를 낮추고, 새로운 화학 물질과 고체 특성을 가진 고체 부여하는 것으로 나타났습니다.
IMO와 등 구조적 철 도핑 된 알루미늄 – 게르마늄 국세청에 최근 보고서는 실제 알 3+ / 철 3+ 철 옥소 수산화물의 형성 이후, 1.0 % 철의 질량 분율로 제한되어 있음을 보여 주었다인해 철의 자연적인 경향에 불가피하게 더 높은 Fe 함유량 발생 입자 응집물 (37)을 형성한다. 유사한 결과가 철 도핑 IMO 국세청 33,36,38-40 수득 하였다.
과학적인 관점에서, 철 및 철 도핑 IMO에서의 가능한 반응성 흡착 특성의 상태를 판정 여러 특성의 기술을 필요로하는 중요한 문제이다.
이 작품에서 우리는 철 도핑 IMO의 합성 및 특성을보고합니다. 두 샘플을 직접 합성 (철 – X-IMO) 또는 합성 후로드 (철-L-IMO) 중 1.4 % 철의 질량 분율로 합성 하였다; 낮은 철 함량 (0.70 %의 질량 분율에 대응)와 제 샘플 클러스터 형성을 피하기 위해 주로 알 3+ / 철 3+가 발생하는 물질을 얻기 위해 직접 합성을 통해 수득 하였다. 이 경우, 화학식 (OH) 3와 NTS의 형성 </sub> 알 1.975 철 0.025 O 3 SiOH와이 예상된다. 세 철 – 도핑의 형태 학적 및 조직 특성은 IMO IMO 적절한의 것과 비교된다. 또한, 표면 특성은 철 (OH) 알 그룹이 ζ 전위와 아조 염료의 (부피) 음이온 산 오렌지 7 (NaAO7), 아조 염료의 모델 분자와의 상호 작용을 측정하여 물에서 공부하는 관련 폐수 지하수 (41) 모두의 오염 물질의 중요한 클래스있는 AO7 -. 구조 및 분자량 측정은 UV-비스 스펙트럼과 함께,도 2a에보고된다 (도 2B)를 0.67 mM의 수용액 (자연을 pH 6.8) . 그것의 분자 치수 (42), AO7는 – 종은 아마도 주로 IMO 내부 세공 내에서의 확산 유도 기생 작용을 제한 NTS의 외 측면과 상호 작용한다, 그래서 외면의 프로브 분자로서 사용될 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
성공하기 위해보고 된 프로토콜 NTS 형성 엄격 합성 조건에 의존하기 때문에 신중하게 따라야한다. 다음 단계는 매우 중요하다 : 단계 1.2 2.3 TEOS의 약간 과량는 SI / 알 화학 양론 비에 대해 사용되어야한다 (즉, TEOS : ATBS = 1.1 : 2). TEOS의 과잉은 깁 사이트의 우선 형성 (알 (OH) 3) 및 / 또는 마이트 (AIOOH) 단계 (46, 47)을 방지 할 수 있습니다.
또 다른 중요한 점?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 건조 공간을 대출에 대한 교수 클라우디오 Gerbaldi 및 Nerino Penazzi (니코 디 토리노)를 인정합니다.
Materials
| Perchloric Acid (70%) puriss. p.a., ACS reagent, 70% (T) | Sigma Aldrich (Fluka) | 77230 | Toxic. Use facesheild and respirator filter. |
| Aluminum-tri-sec-butoxide 97% | Sigma Aldrich | 201073 | Skin and eye irritation. Use eyesheild and faceshield and respirator filter |
| Tetraethyl orthosilicate (reagent grade 98%) | Sigma Aldrich | 131903 | Toxic, Skin and eye irritation. Use eye and face shields and respirator filter |
| Iron(III) chloride hexahydrate ACS reagent, 97% | Sigma Aldrich | 236489 | Toxic and corrosive. Use eye and face shields and gloves. |
| Orange II Sodium salt for microscopy (Hist.), indicator (pH 11.0-13.0) | Sigma Aldrich (Fluka) | 75370 | Skin and eye irritation. Use gloves and dust mask. |
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