. הנה, נדגים שיטה ייחודית, בטמפרטורה נמוכה יחסית, מלח מותכת סינתזה להכנת אחיד תחמוצת מתכת מורכבים לנתן hafnate חלקיקים.
בפיתוח שיטות סינתזה ריאלי הוא קריטי עבור חקר המאפיינים רומן מוצלח של יישומים אפשריים של ננו-חומרים. כאן, אנחנו מציגים את שיטת סינתזה מלח מותכת (MSS) להכנת ננו תחמוצת מתכת. יתרונות על פני שיטות אחרות כוללות את הפשטות, ירקות, אמינות, מדרגיות ויכולת generalizability. באמצעות תחמוצת הפניום לנתן pyrochlore (La22O Hf7) כנציג, נתאר את פרוטוקול MSS הסינתזה המוצלחת של חלקיקי תחמוצת מתכת מורכבים (NPs). בנוסף, שיטה זו יש יכולת ייחודית להפקת NPs עם תכונות חומרים שונים על-ידי שינוי פרמטרים סינתזה שונים כגון pH, טמפרטורה, משך, שלאחר חישול. על-ידי כוונון הפרמטרים הללו, אנו מסוגלים לסנתז NPs מאוד מדים שאינם מגובבים, גבישי מאוד. דוגמה ספציפית, אנחנו משתנים גודל החלקיקים של לה2Hf2O7 NPs על-ידי שינוי הריכוז של הפתרון אמוניה מימית המשמשים בתהליך MSS, אשר מאפשר לנו להמשיך לחקור את השפעת גודל החלקיקים בנושאים שונים מאפיינים. הוא צפוי כי השיטה MSS יהפוך פופולרי יותר סינתזה שיטת ננו ועוד נרחב המועסקים בקהילה וננו -טכנולוגיה בשנים הקרובות.
מלח מותכת סינתזה (MSS) כרוכה בשימוש של מלח מותכת המדיום התגובה להכנת ננו-חומרים מן שלהם מבשרי המרכיבים אותה. מלח מותכת משמש הממס ומקל את קצב התגובה משופרת על ידי הגדלת איזור המגע בין המגיבים ניידותו. הבחירה של מלחי מותכת היא בעלת חשיבות עליונה להצלחת השיטה MSS. המלח חייבת לעמוד בדרישות איכות חשוב מסוימים כגון נקודת התכה נמוכה, תאימות עם המינים מגיבים, המסיסות מימית האופטימלי. מלח מותכת שימש בעבר כדי לשפר את הקצב של תגובות של מצב מוצק; עם זאת, במערכת השטף, רק כמות קטנה של מלח מותכת משמש (שלא כמו ב- MSS, שבו כמות גדולה נוספת כדי ליצור מדיום מסיסים עבור התגובה ולשלוט המאפיינים של ננו מסונתז, כגון גודל החלקיקים, צורה crystallinity וכדומה). במובן זה, MSS הוא שינוי של שיטת metallurgical אבקת ושונה השטף שיטה1,2,3. להעסקת יכול מלח מותכת (1) עלייה תגובת קצב קינטי4 תוך הפחתת טמפרטורה סינתזה5, (2) להגדיל מידת ההומוגניות מגיבים6, (3) לקבוע גודל גבישי ו מורפולוגיה7(4) להפחית את רמת הצטברות.
ננו כבר ביקוש גבוה מדעי עבור יישומים תעשייתיים הרומן בגלל שלהם מעולה חשמל, כימיקלים, מגנטי, אופטי, אלקטרונית, תכונות תרמיות. המאפיינים שלהם הם תלויים במידה רבה גודל החלקיקים צורה, crystallinity. לעומת שיטות אחרות סינתזה של ננו-חומרים, MSS יש מספר יתרונות ברורים; למרות זאת, זה עדיין לא ידוע כמה שיטות סינתזה אחרות בקהילה וננו -טכנולוגיה. כפי שמתואר להלן, יתרונות אלה כוללים שלה פשטות, מדרגיות, generalizability, ידידותיות הסביבה, יחס עלות-תועלת, טמפרטורה סינתזה נמוכה יחסית, ואמינות ללא הצטברות של NPs משטח נקי8.
פשטות: תהליך MSS יכול בקלות להתבצע בתוך מעבדה פשוטה עם מתקנים בסיסיים. מכשור מתוחכם אין צורך. סימנים מקדימים מלחי מותכת אוויר יציב ללא צורך טיפול הכפפות בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד.
אמינות: לאחר כל הפרמטרים הסינתזה הראשונית כגון ריכוז, pH, זמן העיבוד, חישול טמפרטורה ממוטבים, מוצרים באיכות גבוהה, טהור מובטח בעת שימוש בשיטת MSS. אם כל השלבים הסינתזה מתבצעת כראוי, המוצרים הסופיים עשוי להשיג כל הקריטריונים הבסיסיים הדרושים NPs באיכות טובה. טירון בשיטה MSS לא יגרום לשינוי התוצאה סינתזה, כל עוד כל הפרמטרים סינתזה כראוי ובזהירות עוקבים.
מדרגיות: היכולת השיטה MSS לייצר כמויות גדולות של חלקיקים בגודל, צורה-שבשליטת חיוני. גורם קריטי זה חשוב כי זה מאפשר קביעת תעשייתי השימושיות והיעילות. לעומת טכניקות סינתזה אחרות, MSS בקלות ליצור כמות מספקת של מוצרים על-ידי התאמת כמויות stoichiometric בתהליך. הסיבה לכך היא תכונה חשובה של השיטה זה מאפשר נוחות ברמה תעשייתית, שהופך אותו בגישה יותר הרצוי בגלל זה מדרגיות9,10.
Generalizability: השיטה MSS היא גם טכניקה להכליל לייצר חלקיקים עם קומפוזיציות שונות. מלבד תחמוצות מתכת פשוטה, כמה ופלואורידים, ננו של תחמוצות מתכת מורכבים, זה חייב להיות מסונתז בהצלחה בשיטת MSS כוללים perovskites (ABO3)10,11,12, 13,14,15,ספינל (2O AB4)16, pyrochlore (2B2O7)4,17,18, 19, ו האורתורומבית מבנים (2B4O9)2,3,20. ליתר דיוק, אלה ננו לכלול פריט, titanates, niobates, mullite, אלומיניום בוראט, וולאסטוניט, ו אפטיט מוגזים7,9,21. השיטה MSS שימש גם לייצר ננו של מורפולוגיות שונות כגון nanospheres4, קרמיקה אבקת גופות22, nanoflakes23, nanoplates7, nanorods24ליבה-קליפה חלקיקים (NPs)25, בהתאם לתנאים סינתזה מבנה גבישי של המוצרים.
ידידותיות הסביבה: מספר שיטות מסורתיות להכנת ננו לערב את השימוש כמויות גדולות של ממיסים אורגניים רעילים סוכנים היוצרים נושאים סביבתיים. חיסול חלקי או מלא של השימוש בהם, הדור של פסולת על-ידי תהליכים בר קיימא הוא ביקוש של כימיה ירוקה כיום8. השיטה MSS היא גישה ידידותית לסביבה לסנתז ננו על ידי העסקת חומרים כימיים רעילים מתחדשת וצמצום פסולת, תוצרי לוואי ואנרגיה.
סינתזה נמוך יחסית טמפרטורה: הטמפרטורה עיבוד של השיטה MSS היא נמוכה יחסית בהשוואה נדרש התגובה של מצב מוצק קונבנציונאלי26 או של תגובת הבעירה סול-ג’ל27. טמפרטורה נמוכה זו חוסכת אנרגיה תוך כדי לייצר באיכות גבוהה NPs.
עלות האפקטיביות: MSS השיטה אינה דורשת כל המגיבים קשה או יקר או ממיסים ולא כל מכשור מיוחד. מים הם הממס העיקרי המשמש שטיפת המלחים מותכת משומשים, אשר גם זול. יתר על כן, הגדרת הניסוי צריך כולל רק כלי זכוכית פשוטה ולא תנור ללא מכשור מיוחד, בעוד ננו עם הרכב מורכב והטבע מותכות בחום גבוה מאוד יכול להיות מיוצר.
הצטברות חינם עם משטח נקי: תהליך במהלך MSS, יצרו חלקיקים הם מפוזר היטב במדיום מלח מותכת עקב כמות גדולה שלו, המשמש יחד עם שלה גבוהה יוניים כוח, צמיגות1,6, 8. בניגוד סינתזה colloidal ותהליכים הידרותרמי/solvothermal רוב, אין שכבת פני השטח מגן נחוצה למנוע את הצטברות של NPs יצרו צמיחתו רציפה.
סינתזה למופת של תחמוצת מתכת מורכבים NPs בשיטת MSS: שיטת ה MSS כאל אוניברסלי וחסכונית גישה באופן רציונלי, בקנה מידה גדול לסנתז ננו-חומרים עבור קשת רחבה מספיק חומר עשוי יתקבלו בברכה מאוד על ידי מדענים עובד וננו -טכנולוגיה. כאן, לנתן hafnate (La22O Hf7) נבחר בגלל וביישומיה רב תכליתיים בתחומים של רנטגן הדמיה, גבוהה k-דיאלקטרי, הפריה חוץ גופית, פוספור תרמוגרפיים מכשול תרמי ציפוי, ו המארח פסולת גרעינית. La22O Hf7 הוא גם מארח טוב עבור scintillators מסומם הצפיפות הגבוהה שלו, מספר אטומי אפקטיבי גדול וכתוצאה את האפשרות של מבנה גבישי שלה כדי. ניתן לתכנן יחד עם מעבר פאזה הפרעת סדר. הוא שייך למשפחת A2B2O7 של תרכובות, שבו “A” הוא יסוד האדמה – נדיר עם מצב חמצון +3, “B” ומייצג המעבר אלמנט מתכתי עם מצב חמצון +4. עם זאת, בשל אופי עקשן ההרכב הכימי מורכב, חלה חוסר בטמפרטורה נמוכה נאותה ועל שיטות סינתזה בקנה מידה גדול עבור La2Hf2O7 NPs.
במחקר מדעי יסוד ויישומים טכנולוגיים מתקדמים, זה תנאי הכרחי כדי להפוך monodisperse, באיכות גבוהה, מדים2O2B7 NPs. כאן נשתמש הסינתזה של גבישי מאוד לה2Hf2O7 NPs כדוגמה להפגין את היתרונות של שיטת MSS. כפי שמוצג באיור 1סכמטי, לה2Hf2O7 NPs הוכנו על ידי שיטת MSS עם תהליך בן שני שלבים בעקבות הדיווחים הקודמים שלנו. ראשית, הקדמה מורכבים יחיד של La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O הוכנה באמצעות מסלול coprecipitation. בשלב השני, גודל-לשליטה La2Hf2O7 NPs היו מסונתז לאורך התהליך MSS נתיישב משתמש יחיד מורכב מבשר וחנקה התערובת (ננו3: יודע3 = יחס 1:1, טוחנת)- 650 מעלות צלזיוס במשך 6 שעות.
איור 1 : תיאור סכמטי של הסינתזה צעדים עבור La 2 Hf 2 O 7 NPs באמצעות השיטה MSS. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
התרשים באיור 4 מספק מספר גורמים השליטה אמין של שיטת MSS ושל חשבונות עבור מסלולים חלופיים לכוונן את התכונות של ננו מסונתז. בנוסף, הוא מסייע לזהות שלבים קריטיים בתהליך MSS.
איור 4 <str…
The authors have nothing to disclose.
המחברים תודה התמיכה הכלכלית שסופקו על-ידי הקרן הלאומית למדע, לפי CHE (זוכה פרס #1710160) ואת משרד החקלאות המכון הלאומי של מזון חקלאות (זוכה פרס #2015-38422-24059). במחלקה לכימיה-עמק ריו גראנדה אוניברסיטת טקסס הוא אסיר תודה על התמיכה הנדיבה המסופקים על ידי מענק מחלקתיים מטעם קרן Welch א רוברט (מענק מס ‘ BX-0048). S.K.G. הייתי רוצה להודות את קרן קרן חינוך ארצות הברית-הודו (חינוך), המכון של הבינלאומי לחינוך (השקר) עבור שלו פולברייט נהרו הבתר-דוקטורים (זוכה פרס #2268/FNPDR/2017).
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 |