تأثير ظروف تخليق الميكروويف على بنية صفائح هيدروكسيد النيكل النانوية
Summary
يتم تصنيع صفائح هيدروكسيد النيكل النانوية بواسطة تفاعل حراري مائي بمساعدة الميكروويف. يوضح هذا البروتوكول أن درجة حرارة التفاعل والوقت المستخدم لتخليق الميكروويف يؤثران على إنتاجية التفاعل والبنية البلورية وبيئة التنسيق المحلية.
Abstract
يتم تقديم بروتوكول للتخليق الحراري المائي السريع بمساعدة الميكروويف للصفائح النانوية لهيدروكسيد النيكل في ظل ظروف حمضية معتدلة ، ويتم فحص تأثير درجة حرارة التفاعل والوقت على بنية المادة. ينتج عن جميع ظروف التفاعل التي تمت دراستها مجاميع من صفائح نانوية α-Ni (OH) 2 ذات طبقات. تؤثر درجة حرارة التفاعل والوقت بشدة على بنية المادة وإنتاجية المنتج. يؤدي توليف α-Ni (OH) 2 عند درجات حرارة أعلى إلى زيادة إنتاجية التفاعل ، وتقليل تباعد الطبقة البينية ، وزيادة حجم المجال البلوري ، وتحويل ترددات أوضاع اهتزاز أنيون الطبقة البينية ، وخفض قطر المسام. تزيد أوقات التفاعل الأطول من عوائد التفاعل وتؤدي إلى أحجام مجالات بلورية مماثلة. تظهر مراقبة ضغط التفاعل في الموقع أنه يتم الحصول على ضغوط أعلى عند درجات حرارة تفاعل أعلى. يوفر مسار التخليق بمساعدة الميكروويف هذا عملية سريعة وعالية الإنتاجية وقابلة للتطوير يمكن تطبيقها على تخليق وإنتاج مجموعة متنوعة من هيدروكسيدات الفلزات الانتقالية المستخدمة في العديد من تخزين الطاقة والتحفيز وأجهزة الاستشعار والتطبيقات الأخرى.
Introduction
يستخدم هيدروكسيد النيكل ، Ni (OH) 2 ، في العديد من التطبيقات بما في ذلك بطاريات النيكل والزنك وهيدريد معدن النيكل1،2،3،4 ، خلايا الوقود4 ، محللات المياهالكهربائية 4،5،6،7،8،9 ، المكثفات الفائقة4 ، المحفزات الضوئية4 ، مبادلات الأنيون10، والعديد من التطبيقات التحليلية والكهروكيميائية وأجهزة الاستشعار الأخرى 4,5. يحتوي Ni (OH) 2 على هيكلين بلوريين سائدين: β-Ni (OH) 2 و α-Ni (OH) 211. يعتمد β-Ni (OH) 2 بنية بلورية من نوع البروسيت Mg (OH) 2 ، بينما α-Ni (OH) 2 هو شكل طبقات توربينية من β-Ni (OH) 2 مقحم مع الأنيونات المتبقية وجزيئات الماء من التخليق الكيميائي4. داخل α-Ni (OH) 2 ، لا تكون الجزيئات المقحمة ضمن مواضع بلورية ثابتة ولكنها تتمتع بدرجة من الحرية الاتجاهية ، وتعمل أيضا كغراء بين الطبقات لتثبيت طبقات Ni (OH) 2 4,12. تؤثر الأنيونات البينية ل α-Ni (OH) 2 على متوسط حالة أكسدة النيكل13 وتؤثر على الأداء الكهروكيميائي ل α-Ni (OH) 2 (بالنسبة إلى β-Ni (OH) 2) تجاه البطارية2،13،14،15 ، المكثف16 ، وتطبيقات التحليل الكهربائي للماء17،18.
يمكن تصنيع Ni (OH) 2 عن طريق الترسيب الكيميائي ، أو الترسيب الكهروكيميائي ، أو تخليق sol-gel ، أو التوليف الحراري المائي/ الحراري 4. تستخدم طرق الترسيب الكيميائي والتوليف الحراري المائي على نطاق واسع في إنتاج Ni (OH) 2 ، وتغير الظروف الاصطناعية المختلفة التشكل والبنية البلورية والأداء الكهروكيميائي. يتضمن الترسيب الكيميائي ل Ni (OH) 2 إضافة محلول قاعدي للغاية إلى محلول ملح نيكل مائي (II). يتم تحديد طور وبلورة الراسب من خلال درجة الحرارة وهويات وتركيزات ملح النيكل (II) والمحلول الأساسي المستخدم4.
يتضمن التخليق الحراري المائي ل Ni (OH) 2 تسخين محلول مائي من ملح النيكل (II) السلائف في قنينة تفاعل مضغوطة ، مما يسمح للتفاعل بالمضي قدما في درجات حرارة أعلى من المسموح به عادة تحت الضغط المحيط4. عادة ما تفضل ظروف التفاعل الحراري المائي β-Ni(OH)2، ولكن يمكن تصنيع α-Ni(OH)2 بواسطة (i) باستخدام عامل إقحام، (ii) باستخدام محلول غير مائي (تخليق حراري محلول)، (iii) خفض درجة حرارة التفاعل، أو (iv) تضمين اليوريا في التفاعل، مما ينتج عنه إقحام الأمونيا α-Ni(OH)24. يحدث التخليق الحراري المائي ل Ni (OH) 2 من أملاح النيكل عبر عملية من خطوتين تتضمن تفاعل التحلل المائي (المعادلة 1) متبوعا بتفاعل تكثيف olation (المعادلة 2). 19
[ني (H2O) N] 2+ + حح 2س ↔ [ني (أوه) ح (ح2س) ن-ح] (2-ح) ++ حح 3س + (1)
ني-أوه + ني-أوه2 ني-أوه-ني + ح2س (2)
تم استخدام كيمياء الميكروويف لتخليق وعاء واحد لمجموعة واسعة من المواد ذات البنية النانوية وتستند إلى قدرة جزيء أو مادة معينة على تحويل طاقة الميكروويف إلى حرارة20. في التفاعلات الحرارية المائية التقليدية ، يبدأ التفاعل عن طريق الامتصاص المباشر للحرارة من خلال المفاعل. في المقابل ، ضمن التفاعلات الحرارية المائية بمساعدة الميكروويف ، فإن آليات التسخين هي الاستقطاب ثنائي القطب للمذيب المتذبذب في مجال الميكروويف والتوصيل الأيوني الذي يولد احتكاكا جزيئيا موضعيا20. يمكن أن تزيد كيمياء الميكروويف من حركية التفاعل والانتقائية وإنتاجية التفاعلاتالكيميائية 20 ، مما يجعلها ذات أهمية كبيرة لطريقة قابلة للتطوير وقابلة للتطبيق صناعيا لتوليف Ni (OH) 2.
بالنسبة لكاثود البطاريات القلوية ، توفر المرحلة α-Ni (OH) 2 قدرة كهروكيميائية محسنة مقارنة بالمرحلة13 من β-Ni (OH) 2 ، والطرق الاصطناعية لتجميع α-Ni (OH) 2 ذات أهمية خاصة. تم تصنيع α-Ni (OH)2 بواسطة مجموعة متنوعة من الطرق بمساعدة الميكروويف ، والتي تشمل الارتجاع بمساعدة الميكروويف21,22 ، والتقنيات الحرارية المائية بمساعدة الميكروويف23,24 ، وهطول الأمطار بمساعدة الميكروويف25. يؤثر إدراج اليوريا في محلول التفاعل بشكل كبير على عائد التفاعل26 ، والآلية26,27 ، والتشكل ، والبنية البلورية27. تم تحديد تحلل اليوريا بمساعدة الميكروويف ليكون مكونا حاسما للحصول على α-Ni (OH) 227. لقد ثبت أن محتوى الماء في محلول جلايكول الإيثيلين المائي يؤثر على مورفولوجيا التوليف بمساعدة الميكروويف لصفائح نانوية α-Ni (OH)2 24. وجد أن مردود التفاعل ل α-Ni (OH) 2 ، عند تصنيعه بواسطة طريق حراري مائي بمساعدة الميكروويف باستخدام نيترات النيكل المائية ومحلول اليوريا ، يعتمد على المحلول pH26. وجدت دراسة سابقة لزهور نانوية α-Ni (OH) 2 المركبة بالموجات الدقيقة باستخدام محلول سلائف من EtOH / H2O ونترات النيكل واليوريا أن درجة الحرارة (في حدود 80-120 درجة مئوية) لم تكن عاملا حاسما ، بشرط إجراء التفاعل فوق درجة حرارة التحلل المائي لليوريا (60 درجة مئوية) 27. وجدت ورقة حديثة درست تخليق الميكروويف ل Ni (OH) 2 باستخدام محلول سلائف من رباعي هيدرات خلات النيكل واليوريا والماء أنه عند درجة حرارة 150 درجة مئوية ، تحتوي المادة على مرحلتي α-Ni (OH) 2 و β-Ni (OH) 2 ، مما يشير إلى أن درجة الحرارة يمكن أن تكون معلمة حاسمة في تخليق Ni (OH) 228.
يمكن استخدام التخليق الحراري المائي بمساعدة الميكروويف لإنتاج مساحة سطح عالية α-Ni (OH) 2 و α-Co (OH) 2 باستخدام محلول سلائف يتكون من نترات المعادن واليوريا المذابة في محلول جلايكول الإيثيلين / H2O12،29،30،31. تم تصنيع مواد الكاثود α-Ni (OH) 2 المستبدلة بالمعادن لبطاريات Ni-Zn القلوية باستخدام توليف موسع مصمم لمفاعل ميكروويف كبير الحجم12. كما تم استخدام α-Ni (OH) 2 المركب بالميكروويف كسلائف للحصول على صفائح نانوية β-Ni (OH)2 12 ، وإطارات نانوية من النيكل والإيريديوم للمحفزات الكهربائية لتفاعل تطور الأكسجين (OER)29 ، ومحفزات كهربائية للأكسجين ثنائية الوظيفة لخلايا الوقود ومحللات الماءالكهربائية 30. كما تم تعديل مسار تفاعل الموجات الصغرية هذا لتوليف Co (OH) 2 كسلائف لإطارات الكوبالت – الإيريديوم النانوية للمحفزات الكهربائية الحمضيةللموارد التعليمية المفتوحة 31 والمحفزات الكهربائية ثنائية الوظيفة30. كما تم استخدام التوليف بمساعدة الميكروويف لإنتاج صفائح نانوية α-Ni (OH) 2 مستبدلة بالحديد ، وتغير نسبة استبدال الحديد الهيكل والمغنطة32. ومع ذلك ، لم يتم الإبلاغ عن إجراء خطوة بخطوة لتخليق الموجات الدقيقة ل α-Ni (OH) 2 وتقييم كيفية تأثير وقت التفاعل ودرجة الحرارة المتغيرة داخل محلول جلايكول الإيثيلين المائي على البنية البلورية ومساحة السطح والمسامية والبيئة المحلية للأنيونات البينية داخل المادة.
يضع هذا البروتوكول إجراءات لتركيب الموجات الدقيقة عالية الإنتاجية لصفائح α-Ni (OH) 2 النانوية باستخدام تقنية سريعة وقابلة للتطوير. تم تنويع تأثير درجة حرارة التفاعل ووقته وتقييمه باستخدام مراقبة التفاعل في الموقع ، والمجهر الإلكتروني الماسح ، والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة ، وقياس مسامية النيتروجين ، وحيود مسحوق الأشعة السينية (XRD) ، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه لفهم تأثيرات المتغيرات الاصطناعية على إنتاجية التفاعل ، والتشكل ، والبنية البلورية ، وحجم المسام ، وبيئة التنسيق المحلية للصفائح النانوية α-Ni (OH) 2 .
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر تخليق الموجات الصغرية طريقا لتوليد Ni (OH) 2 يكون أسرع بكثير (وقت رد فعل 13-30 دقيقة) بالنسبة للطرق الحرارية المائية التقليدية (أوقات تفاعل نموذجية تبلغ 4.5 ساعة)38. باستخدام مسار تخليق الميكروويف الحمضي المعتدل هذا لإنتاج صفائح نانوية فائقة النحافة α-Ni (OH) 2 ، لوحظ أن و…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تعترف SWK و CPR بامتنان بالدعم المقدم من برنامج الأبحاث البحرية البحرية التابع لمكتب البحوث البحرية (رقم المنحة N00014-21-1-2072). تعترف SWK بالدعم المقدم من برنامج التدريب الداخلي لمؤسسة الأبحاث البحرية. تعترف CPR و CM بالدعم المقدم من مركز مؤسسة العلوم الوطنية لشراكات البحث والتعليم في المواد (PREM) لتجميع المواد الذكية ، الجائزة رقم 2122041 ، لتحليل ظروف التفاعل.
Materials
| 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 |
References
- Liu, B., et al. 120 Years of nickel-based cathodes for alkaline batteries. Journal of Alloys and Compounds. 834, 155185 (2020).
- Young, K. H., et al. Fabrications of high-capacity α-Ni(OH)2. Batteries. 3, 6 (2017).
- Huang, M., Li, M., Niu, C., Li, Q., Mai, L. Recent advances in rational electrode designs for high-performance alkaline rechargeable batteries. Advanced Functional Materials. 29 (11), 1807847 (2019).
- Hall, D. S., Lockwood, D. J., Bock, C., MacDougall, B. R. Nickel hydroxides and related materials: a review of their structures, synthesis and properties. Proceedings of the Royal Society A. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 471 (2174), 20140792 (2015).
- Miao, Y., et al. Electrocatalysis and electroanalysis of nickel, its oxides, hydroxides and oxyhydroxides toward small molecules. Biosensors and Bioelectronics. 53, 428-439 (2014).
- Suen, N. T., et al. Electrocatalysis for the oxygen evolution reaction: recent development and future perspectives. Chemical Society Reviews. 46 (2), 337-365 (2017).
- Diaz-Morales, O., Ledezma-Yanez, I., Koper, M. T., Calle-Vallejo, F. Guidelines for the rational design of Ni-based double hydroxide electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. ACS Catalysis. 5 (9), 5380-5387 (2015).
- Rossini, P. d. O., et al. Ni-based double hydroxides as electrocatalysts in chemical sensors: a review. Trends in Analytical Chemistry. 126, 115859 (2020).
- Yu, Z., Bai, Y., Tsekouras, G., Cheng, Z. Recent advances in Ni-Fe (Oxy)hydroxide electrocatalysts for the oxygen evolution reaction in alkaline electrolyte targeting industrial applications. Nano Select. 3 (4), 766-791 (2021).
- Othman, M. R., Helwani, Z., Martunus, F. W. J. N. Synthetic hydrotalcites from different routes and their application as catalysts and gas adsorbents: a review. Applied Organometallic Chemistry. 23 (9), 335-346 (2009).
- Bode, V. H., Dehmelt, K., Witte, J. About the nickel hydroxide electrode. II. On the oxidation products of nickel(II) hydroxidesZeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie. 366, 1-21 (1969).
- Kimmel, S. W., et al. Capacity and phase stability of metal-substituted α-Ni(OH)2 nanosheets in aqueous Ni-Zn batteries. Materials Advances. 2 (9), 3060-3074 (2021).
- Corrigan, D. A., Knight, S. L. Electrochemical and spectroscopic evidence on the participation of quadrivalent nickel in the nickel hydroxide redox reaction. Journal of the Electrochemical Society. 136 (3), 613-619 (1989).
- Shangguan, E., et al. A comparative study of structural and electrochemical properties of high-density aluminum substituted α-nickel hydroxide containing different interlayer anions. Journal of Power Sources. 282, 158-168 (2015).
- Li, Y. W., et al. Effect of interlayer anions on the electrochemical performance of Al-substituted α-type nickel hydroxide electrodes. International Journal of Hydrogen Energy. 35 (6), 2539-2545 (2010).
- Wang, C., Zhang, X., Xu, Z., Sun, X., Ma, Y. Ethylene glycol intercalated cobalt/nickel layered double hydroxide nanosheet assemblies with ultrahigh specific capacitance: structural design and green synthesis for advanced electrochemical storage. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (35), 19601-19610 (2015).
- Hunter, B. M., Hieringer, W., Winkler, J. R., Gray, H. B., Müller, A. M. Effect of interlayer anions on [NiFe]-LDH nanosheet water oxidation activity. Energy & Environmental Science. 9 (5), 1734-1743 (2016).
- Zhou, D., et al. Effects of redox-active interlayer anions on the oxygen evolution reactivity of NiFe-layered double hydroxide nanosheets. Nano Research. 11, 1358-1368 (2018).
- Cochran, E. A., Woods, K. N., Johnson, D. W., Page, C. J., Boettcher, S. W. Unique chemistries of metal-nitrate precursors to form metal-oxide thin films from solution: materials for electronic and energy applications. Journal of Materials Chemistry A. 7 (42), 24124-24149 (2019).
- Bilecka, I., Niederberger, M. Microwave chemistry for inorganic nanomaterials synthesis. Nanoscale. 2 (8), 1358-1374 (2010).
- Zhang, X., et al. Microwave-assisted synthesis of 3D flowerlike alpha-Ni(OH)2 nanostructures for supercapacitor application. Science China Technological Sciences. 58, 1871-1876 (2015).
- Li, J., Wei, M., Chu, W., Wang, N. High-stable α-phase NiCo double hydroxide microspheres via microwave synthesis for supercapacitor electrode materials. Chemical Engineering Journal. 316, 277-287 (2017).
- Tao, Y., et al. Microwave synthesis of nickel/cobalt double hydroxide ultrathin flowerclusters with three-dimensional structures for high-performance supercapacitors. Electrochimica Acta. 111, 71-79 (2013).
- Zhu, Y., et al. Ultrathin nickel hydroxide and oxide nanosheets: synthesis, characterizations and excellent supercapacitor performances. Scientific Reports. 4, 1-7 (2014).
- Benito, P., Labajos, F. M., Rives, V. Microwave-treated layered double hydroxides containing Ni and Al: the effect of added Zn. Journal of Solid State Chemistry. 179 (12), 3784-3797 (2006).
- Soler-Illia, G. J. d. A., Jobbágy, M., Regazzoni, A. E., Blesa, M. A. Synthesis of nickel hydroxide by homogeneous alkalinization. precipitation mechanism. Chemistry of Materials. 11 (11), 3140-3146 (1999).
- Xu, L., et al. 3D flowerlike α-nickel hydroxide with enhanced electrochemical activity synthesized by microwave-assisted hydrothermal method. Chemistry of Materials. 20 (1), 308-316 (2008).
- Alshareef, S. F., Alhebshi, N. A., Almashhori, K., Alshaikheid, H. S., Al-Hazmi, F. A ten-minute synthesis of alpha-Ni(OH)2 nanoflakes assisted by microwave on flexible stainless-steel for energy storage devices. Nanomaterials. 12 (11), 1911 (2022).
- Godínez-Salomón, F., et al. Self-supported hydrous iridium-nickel oxide two-dimensional nanoframes for high activity oxygen evolution electrocatalysts. ACS Catalysis. 8 (11), 10498-10520 (2018).
- Godínez-Salomón, F., Albiter, L., Mendoza-Cruz, R., Rhodes, C. P. Bimetallic two-dimensional nanoframes: high activity acidic bifunctional oxygen reduction and evolution electrocatalysts. ACS Applied Energy Materials. 3 (3), 2404-2421 (2020).
- Ying, Y., et al. Hydrous cobalt-iridium oxide two-dimensional nanoframes: insights into activity and stability of bimetallic acidic oxygen evolution electrocatalysts. Nanoscale Advances. 3 (7), 1976-1996 (2021).
- Kimmel, S. W., et al. Structure and magnetism of iron-substituted nickel hydroxide nanosheets. Magnetochemistry. 9 (1), 25-47 (2023).
- Thommes, M., et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 87 (9-10), 1051-1069 (2015).
- Birkholz, M., Fewster, P. F., Genzel, C. . Thin Film Analysis by X-ray Scattering. , (2006).
- Hall, D. S., Lockwood, D. J., Poirier, S., Bock, C., MacDougall, B. R. Raman and infrared spectroscopy of alpha and beta phases of thin nickel hydroxide films electrochemically formed on nickel. Journal of Physical Chemistry A. 116 (25), 6771-6784 (2012).
- Choy, J. H., Kwon, Y. M., Han, K. S., Song, S. W., Chang, S. H. Intra- and inter-layer structures of layered hydroxy double salts, Ni1-xZn2x(OH)2(CH3CO2)2xnH2O. Materials Letters. 34 (3-6), 356-363 (1998).
- Momma, K., Izumi, F. VESTA for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data. Journal of Applied Crystallography. 44 (6), 1272-1276 (2011).
- Godinez-Salomon, F., Mendoza-Cruz, R., Arellano-Jimenez, M. J., Jose-Yacaman, M., Rhodes, C. P. Metallic two-dimensional nanoframes: unsupported hierarchical nickel-platinum alloy nanoarchitectures with enhanced electrochemical oxygen reduction activity and stability. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (22), 18660-18674 (2017).
- Shakhashiri, B. Z., Dirreen, G. E., Juergens, F. Color, solubility, and complex ion equilibria of nickel (II) species in aqueous solution. Journal of Chemical Education. 57 (12), 900-901 (1980).
