Karmaşık Metal Oksit nano tanecikleri erimiş tuz sentezi
Summary
Burada, tek tip karmaşık metal oksit lantan hafnate nano tanecikleri hazırlanması için bir benzersiz, nispeten düşük sıcaklık, erimiş tuz sentez yöntemi göstermektedir.
Abstract
Uygun sentez yöntemleri roman özellikleri başarılı keşfi ve Nanomalzemeler olası uygulamaları için önemli bir gelişmedir. Burada, metal oksit Nanomalzemeler yapmak için erimiş tuz sentezi (MSS) yöntemi tanıtmak. Avantajı diğer yöntemler üzerinde sadeliği, yeşillik, güvenilirlik, ölçeklenebilirlik ve generalizability içerir. Pyrochlore lantan hafniyum oksit (La2Hf2O7) temsilcisi olarak kullanarak, karmaşık metal oksit nano tanecikleri (NPs) başarılı bir sentez için MSS protokolü açıklar. Ayrıca, bu yöntem pH, sıcaklık, süre ve sonrası tavlama gibi çeşitli sentez parametreleri değiştirerek farklı malzeme özellikleri ile NPs üretmek için eşsiz bir yeteneği vardır. Bu parametreler ince ayar tarafından biz son derece düzgün, Sigara yığılmış ve son derece kristal NPs sentezlemek edebiliyoruz. Belirli bir örnek olarak, biz daha fazla partikül büyüklüğü etkisi çeşitli keşfetmek için bize izin verir MSS sürecinde kullanılan amonyum hidroksit çözüm konsantrasyonu değiştirerek La2Hf2O7 NPs parçacık boyutu değişir özellikleri. MSS yöntemi Nanomalzemeler ve daha yaygın olarak yaklaşan yıllarda Nanobilim ve nanoteknoloji toplum içinde istihdam için daha popüler bir sentez yöntemi olacak bekleniyor.
Introduction
Erimiş tuz sentezi (MSS) Nanomalzemeler kurucu onların öncüleri hazırlanması için bir erimiş tuz kullanımı olarak tepki aracı içerir. Erimiş tuz solvent davranır ve Reaktanları ve onların hareketlilik arasındaki temas bölgesinin artırarak gelişmiş reaksiyon oranı kolaylaştırır. Erimiş tuzları MSS yöntemi başarısı için büyük önem seçimdir. Tuz düşük erime noktası, tepki tür ve optimum sulu çözünürlük ile uyumluluk gibi bazı önemli kalite gereksinimlerini karşılaması gerekir. Erimiş tuz daha önce katı hal reaksiyonları oranını artırmak için kullanılmıştır; Ancak, akı sisteminde, az miktarda erimiş tuz kullanılır (aksine, MSS, büyük miktarda tepki için çözünür bir ortam oluşturmak ve sentezlenmiş Nanomalzemeler, parçacık boyutu, şekli ve crystallinity gibi özelliklerini denetlemek için eklendi vb). Bu anlamda, MSS Toz Metalurji yöntemi ve akı Yöntem1,2,3farklı bir değişiklik olduğunu. Sentez sıcaklık5, (2) artış kontrollerimiz homojenliği6, derecesini azalan süre istihdam erimiş tuz can (1) artış tepki kinetik oranı4 (3) denetim kristal boyutu ve morfoloji7ve (4) Aglomerasyon düzeyini azaltır.
Nanomalzemeler yüksek talep bilimsel araştırma ve Roman endüstriyel uygulamalar için onların üstün elektrik, kimyasal yüzünden, manyetik, optik, elektronik ve termal özellikleri olmuştur. Partikül büyüklüğü, şekli ve crystallinity özellikleri son derece bağlıdır. Nanomalzemeler için diğer sentez yöntemleri ile karşılaştırıldığında, MSS birkaç belirgin avantajları vardır; Her ne kadar henüz gibi diğer sentez yöntemleri Nanobilim ve nanoteknoloji toplumda iyi bilinen değil. Aşağıda açıklandığı gibi bu avantajı sadeliği, güvenilirlik, ölçeklenebilirlik, generalizability, çevre dostu, düşük maliyet, göreceli düşük sentez sıcaklık ve NPs ücretsiz Aglomerasyon ile temiz yüzey8içerir.
Basitlik: MSS işlemi kolayca basit bir laboratuarda temel özellikleri kullanılarak yapılabilir. Hiçbir gelişmiş araçları gereklidir. Kara filmin tarih öncesi ve erimiş tuzları istikrarlı gerek torpido işleme ile donatılmıştır.
Güvenilirlik: konsantrasyon, pH, işlem zamanı ve tavlama sıcaklığı gibi tüm ilk sentez parametrelerini optimize sonra yüksek kaliteli ve saf ürünleri MSS yöntemini kullanırken emin bulunmaktadır. Eğer tüm sentez adımları düzgün yürütülen, nihai ürünün iyi kalitede olabilmesi için gerekli tüm temel ölçütlerini elde edebilir. Tüm sentez parametreleri düzgün ve dikkatlice takip edilmektedir sürece bir acemi MSS yöntemine sentez sonucu değiştirmez.
Ölçeklenebilirlik: MSS yöntemin yetenek boyutu ve şekli kontrollü parçacıklar büyük miktarlarda üretmek için çok önemlidir. Endüstriyel kullanışlılığı ve verimliliği belirlenmesi için izin verdiği için bu önemli önemli faktördür. Diğer sentez teknikleri için karşılaştırıldığında, MSS kolayca ürünleri yeterli miktarda işlemi sırasında stokiometrik tutarları ayarlayarak oluşturabilirsiniz. Yapım o daha istediğiniz bir yaklaşım bu ölçeklenebilirlik9,10nedeniyle endüstriyel düzeyde kolaylık sağlamak için izin verdiği için bu yöntemi önemli bir özelliğidir.
Generalizability: MSS Yöntemi ayrıca çeşitli besteleri ile nano tanecikleri üretmek için bir genelleştirilebilir tekniktir. Basit metal oksitleri ve bazı fluorides dışında perovskites (ABO3)10,11,12, başarıyla MSS yöntemi tarafından sentezlenen karmaşık metal oksitleri Nanomalzemeler dahil 13,14, lâl taşı (AB2O4)15,16, pyrochlore (2B2O7)4,17,18, 19ve ortorombik yapıları (2B4O9)2,3,20. Daha ayrıntılı olarak, bu Nanomalzemeler ferrit, titanatlar, niobates, mullite, alüminyum Borat, wollastonite ve gazlı apatit7,9,21içerir. MSS yöntemi de nanospheres4, seramik toz organları22, nanoflakes23, nanoplates7, nanorods24ve çekirdek-kabuk gibi çeşitli türleri morfoloji Nanomalzemeler üretmek için kullanılmaktadır nano tanecikleri (NPs)25, sentez koşulları ve kristal yapı ürünleri bağlı olarak.
Çevre dostu: büyük miktarda organik çözücüler ve çevre sorunları oluşturmak toksik ajanlar kullanımı dahil Nanomalzemeler yapmak için çeşitli geleneksel yöntemler. Bunların kullanımı ve atık sürdürülebilir işlemler tarafından nesil kısmi veya toplam kaldırılması yeşil kimya rağbet görmektedir günümüzde8. MSS yöntem toksik olmayan kimyasal ve yenilenebilir malzemeler istihdam ve atık, yan ve enerji en aza indirilmesi Nanomalzemeler sentezlemek için çevre dostu bir yaklaşımdır.
Göreceli düşük sentez sıcaklık: MSS Yöntem işleme sıcaklığını bir geleneksel katı hal tepki26 veya bir sol-jel yanma reaksiyonu27gerekli ile karşılaştırıldığında nispeten düşük olduğunu. Bu daha düşük sıcaklığı yüksek kaliteli NPs üretirken enerji tasarrufu sağlar.
Maliyet etkinliği: MSS yöntemi herhangi bir sert ya da pahalı Reaktanları veya çözücüler ne de herhangi bir özel araçları gerektirmez. Ayrıca ucuz kullanılan erimiş tuz temizlemekten için kullanılan ana solvent sudur. Ayrıca, Nanomalzemeler karmaşık kompozisyon ve ateşe dayanıklı doğa ile üretilen deneysel Kur gerekli sadece basit Züccaciye Mağazaları ve bir fırın olmadan özel araçları içerir.
Aglomerasyon ile temiz yüzey ücretsiz: MSS sırasında işlem, oluşan nano tanecikleri erimiş tuz orta onun yüksek iyonik güç ve viskozite1,6ile birlikte, kullanılan onun büyük miktarda nedeniyle iyi dağınık 8. kolloidal sentezi ve çoğu hidrotermal/solvothermal süreçleri farklı olarak, hiçbir koruyucu yüzey tabaka sürekli büyüme ve kurulan NPS’nin Aglomerasyon önlemek gereklidir.
Örnek karmaşık metal oksit NPs MSS yöntemi ile sentezi: MSS yöntemi olarak bir evrensel ve maliyet-etkin yaklaşım için rasyonel ve büyük ölçekli malzeme yeterince geniş bir yelpazede yüksek bilim adamları tarafından memnuniyetle için Nanomalzemeler sentez Nanobilim ve nanoteknoloji ile çalışma. Burada, lantan hafnate (La2Hf2O7) röntgen görüntüleme, yüksek kalanlarda çok fonksiyonlu onun uygulamaları nedeniyle seçildi-dielektrik, ışıma, termografik fosfor, kaplama, termal bariyer ve nükleer atık ana bilgisayar. La2Hf2O7 bir sipariş-bozukluğu faz geçiş ile birlikte Mühendislik için iyi bir ev sahibi için yüksek yoğunluğu, büyük etkili atom numarası ve kristal yapısını olasılığı nedeniyle katkılı scintillators da. Bir2B2O7 aile bileşiklerin, nadir – toprak elementi 3 oksidasyon devlet ile “A” olduğunu ve “B” 4 oksidasyon devlet bir geçiş metalik öğesiyle temsil eder ait. Ancak, ateşe dayanıklı doğa ve karmaşık kimyasal bileşimi nedeniyle uygun düşük sıcaklık ve büyük ölçekli sentez yöntemleri La2Hf2O7 NPs için eksikliği olmuştur.
Temel bilimsel inceleme ve gelişmiş teknolojik uygulamalar için bu monodisperse, yüksek kaliteli yapmak ve bir2B2O7 NPs üniforma için bir önkoşuldur. Burada MSS yöntemin avantajları, göstermek için bir örnek olarak son derece kristal La2Hf2O7 NPs sentezi kullanırız. Şematik gösterilen olarak Şekil 1, La2Hf2O7 NPs hazırlanan MSS yöntemi tarafından önceki raporlar bir iki adım işlemi ile. İlk olarak, bir tek kaynaklı karmaşık habercisi La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O coprecipitation rota yolu ile hazırlanmıştır. İkinci adımda, boyutu kontrol edilebilir La2Hf2O7 NPs tek kaynaklı karmaşık öncül ve nitrat karışımı kullanarak facile MSS sürecinde sentez (NaNO3: KNO3 = 1:1, molar oranı), 650 ° C 6 h için.
Şekil 1 : Şematik sentezi adımlar için La 2 HF 2 O 7 MSS yöntemi ile NPs. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
Şekil 4 grafikte çeşitli güvenilir kontrol eden faktörler MSS yöntemi ve hesapları için sentezlenmiş Nanomalzemeler özelliklerini ince ayar yapmak alternatif yollar sağlar. Buna ek olarak, MSS sürecindeki önemli adımları tanımlamaya yardım eder.
Şekil 4 : Akış özellikleri ince ayar yapma…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar CHE (Ödülü #1710160) ve USDA Ulusal Enstitüsü Gıda ve Tarım (Ödülü #2015-38422-24059) altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından sağlanan mali destek teşekkür ederiz. Kimya Bölümü Texas Üniversitesi Rio Grande Valley Robert A. Welch Vakfı (Grant No bir departman Grant tarafından sağlanan cömert desteği için minnettar olduğunu BX-0048). S.K.G., Amerika Birleşik Devletleri-Türkiye Eğitim Vakfı (USIEF) ve Uluslararası Eğitim Enstitüsü (yalan) onun Fulbright Nehru doktora sonrası bursu için (Ödülü #2268/FNPDR/2017) teşekkür etmek istiyorum.
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 |
References
- Kimura, T. Molten salt synthesis of ceramic powders. Advances in Ceramics. , 75-100 (2011).
- Mao, Y., Park, T. J., Wong, S. S. Synthesis of classes of ternary metal oxide nanostructures. Chemical Communications. (46), 5721-5735 (2005).
- Mao, Y., Zhou, H., Wong, S. S. Perovskite-phase metal oxide nanostructures: Synthesis, properties, and applications. Material Matters. 5, 50-53 (2010).
- Mao, Y., Guo, X., Huang, J. Y., Wang, K. L., Chang, J. P. Luminescent nanocrystals with A2B2O7 composition synthesized by a kinetically modified molten salt Method. The Journal of Physical Chemistry C. 113 (4), 1204-1208 (2009).
- Yu, Y., Wang, S., Li, W., Chen, Z. Low temperature synthesis of LaB6 nanoparticles by a molten salt route. Powder Technology. 323, 203-207 (2018).
- Liu, X., Fechler, N., Antonietti, M. Salt melt synthesis of ceramics, semiconductors and carbon nanostructures. Chemical Society Reviews. 42 (21), 8237-8265 (2013).
- Chang, Y., Wu, J., Zhang, M., Kupp, E., Messing, C. L. Molten salt synthesis of morphology controlled alpha-alumina platelets. Ceramics International. 43 (15), 12684-12688 (2017).
- Mao, Y., Park, T. J., Zhang, F., Zhou, H., Wong, S. S. Environmentally friendly methodologies for nanostructure synthesis. Small. 3 (7), 1122-1139 (2007).
- Liu, J. R., Hong, R. Y., Feng, W. G., Badami, D., Wang, Y. Q. Large scale production of strontium ferrite by molten salt assited coprecipitation. Powder Technology. 262, 142-149 (2014).
- Yuanbing, M., Banerjee, S., Wong, S. S. Large-scale synthesis of single-crystalline perovskite nanostructures. Journal of the American Chemical Society. 125 (51), 15718-15719 (2003).
- Mao, Y. Facile synthesis of ferromagnetic double perovskite oxide La2BMnO6 nanoparticles. RSC Advances. 2 (33), 12675-12678 (2012).
- Hailili, R., Wang, C., Lichtfouse, E. Perovskite nanostructures assembled in molten salt based on halogen anions KX (X = F, Cl and Br): Regulated morphology and defect-mediated photocatalytic activity. Applied Catalysis B: Enviromental. 232, 531-543 (2018).
- Yuanbing Mao, J. P., McCloy, J. S. Magnetic properties of double perovskite oxide La2BMnO6 nanocrystals. Nanoscale. 5 (11), 4720-4728 (2013).
- Mao, Y., Wong, S. S. Reproducible composition and shape control of crystalline Ca1-xSrxTiO3 perovskite nanoparticles. Advanced Materials. 17 (18), 2194-2199 (2005).
- Rojas-Hernandez, R. E., et al. Original synthetic route to obtain a SrAl2O4 phosphor by the molten salt method: insights into the reaction mechanism and enhancement of the persistent luminescence. Inorganic Chemistry. 54 (20), 9896-9907 (2015).
- Reddy, M. V., Xu, Y., Rajarajan, V., Ouyang, T., Chowdari, B. V. R. Template free facile molten synthesis and energy storage studies on MCo2O4 (M = Mg, Mn) as anode for Li-ion batteries. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 3 (12), 3035-3042 (2015).
- Zuniga, J. P., Gupta, S. K., Pokhrel, M., Mao, Y. Exploring optical properties of La2Hf2O7:Pr3+ nanoparticles under UV and X-ray excitations for potential lighting and scintillating applications. New Journal of Chemistry. 42 (12), 9381-9392 (2018).
- Pokhrel, M., Wahid, K., Mao, Y. Systematic studies on RE2Hf2O7:5%Eu3+ (RE = Y, La, Pr, Gd, Er, and Lu) nanoparticles: Effects of the A-Site RE3+ cation and calcination on structure and photoluminescence. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (27), 14828-14839 (2016).
- Wahid, K., Pokhrel, M., Mao, Y. Structural, photoluminescence and radioluminescence properties of Eu3+ doped La2Hf2O7 nanoparticles. Journal of Solid State Chemistry. 245, 89-97 (2017).
- Park, T. J., Papaefthymiou, G. C., Moodenbaugh, A. R., Mao, Y., Wong, S. S. Synthesis and characterization of submicron single-crystalline Bi2Fe4O9 cubes. Journal of Materials Chemistry. 15 (21), 2099-2105 (2005).
- Gilbert, M. R. Molten salt synthesis of titanate pyrochlore waste-forms. Ceramics International. 42 (4), 5263-5270 (2016).
- Huang, Z., et al. Molten salt synthesis of La2Zr2O7 ultrafine powders. Ceramics International. 42 (5), 6221-6227 (2016).
- Huang, Z., Duan, H., Liu, J., Zhang, H. Preparation of lanthanum cerate powders via a simple molten salt route. Ceramics International. 42 (8), 10482-10486 (2016).
- Wang, G., et al. Fabrication of rod-like Ti4O7 with high conductivity by molten salt synthesis. Materials Letters. 186, 361-363 (2017).
- Pokhrel, M., Burger, A., Groza, M., Mao, Y. Enhance the photoluminescence and radioluminescence of La2Zr2O7:Eu3+ core nanoparticles by coating with a thin Y2O3 shell. Optical Materials. 68, 35-41 (2017).
- Ramesh, G., Subramanian, V., Sivasubramanian, V. Dielectric properties of lead indium niobate ceramics synthesized by conventional solid state reaction method. Materials Research Bulletin. 45 (12), 1871-1874 (2010).
- Gupta, S. K., et al. Role of various defects in the photoluminescence characteristics of nanocrystalline Nd2Zr2O7: An introspection through spectroscopic and DFT calculations. Journal of Materials Chemistry C. 4 (22), 4988-5000 (2016).
- Wang, X., Zhu, Y., Zhang, W. Preparation of lanthanum zirconate nano-powders by molten salt method. Journal of Non-Crystalline Solids. 356 (20-22), 1049-1051 (2010).
- Popov, V. V., et al. Fluorite-pyrochlore phase transition in nanostructured Ln2Hf2O7 (Ln = La-Lu). Journal of Alloys and Compounds. 689, 669-679 (2016).
- Rybarczyk, M. K., Gontarek, E., Lieder, M., Titirici, M. M. Salt melt synthesis of curved nitrogen-doped carbon nanostructures: ORR kinetics boost. Applied Surface Science. 435, 543-551 (2018).
- Ozen, M., Mertens, M., Snikers, F., D’Hondt, H., Cool, P. Molten-salt synthesis of tetragonal micron-sized barium titanate from a peroxo-hydroxide precursor. Advanced Powder Technology. 28 (1), 146-154 (2017).
- Fazli, R., Fazli, M., Safaei-Naeini, Y., Golestani-Fard, F. The effects of processing parameters on formation of nano-spinel (MgAl2O4) from LiCl molten salt. Ceramics International. 39 (6), 6265-6270 (2013).
- Bortolani, F., Dorey, R. A. Molten salt synthesis of PZT powder for direct write inks. Journal of the European Ceramic Society. 30 (10), 2073-2079 (2010).
- Zhou, H., Mao, Y., Wong, S. S. Probing structure-parameter correlations in the molten synthesis of BaZrO3 perovskite submicron-sized particles. Chemistry of Materials. 19 (22), 5238-5249 (2007).
- Kimura, T., Machida, M., Yamaguchi, T., Newnham, R. E. Products of reaction between PbO and Nb2O5 in molten KCl or NaCl. Journal of the American Ceramic Society. 66 (10), 195-197 (1983).
- Liu, S., et al. A novel rechargeable zinc-air battery with molten salt electrolyte. Journal of Power Sources. 342, 435-441 (2017).
- Huang, Z., Li, B., Liu, J. Molten-salt synthesis of oxyapatite La9.33Si6O26 powders as electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Physica status solidi A – Applicationand Materials Science. 207 (10), 2247-2251 (2010).
- Ahmed, J., Mao, Y. Synthesis, characterization and electrocatalytic properties of delafossite CuGaO2. Journal of Solid State Chemistry. 242 (1), 77-85 (2016).
- Ahmed, J., Mao, Y. Ultrafine iridium oxide nanorods synthesized by molten salt method toward electrocatalytic oxygen and hydrogen evolution reactions. Electrochimica Acta. 212, 686-693 (2016).
