Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Влияние условий микроволнового синтеза на структуру нанолистов гидроксида никеля

Published: August 18, 2023 doi: 10.3791/65412
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 1,2
1Materials Science, Engineering, and Commercialization Program, Texas State University, 2Department of Chemistry and Biochemistry, Texas State University, 3Westlake Highschool

Summary

Нанолисты гидроксида никеля синтезируются методом гидротермальной реакции с микроволновой поддержкой. Этот протокол демонстрирует, что температура и время реакции, используемые для микроволнового синтеза, влияют на выход реакции, кристаллическую структуру и локальную координационную среду.

Abstract

Представлен протокол быстрого микроволнового гидротермального синтеза нанолистов гидроксида никеля в слабокислых условиях, а также исследовано влияние температуры и времени реакции на структуру материала. Все условия реакции приводят к образованию агрегатов слоистых нанолистов α-Ni(OH)2 . Температура и время реакции сильно влияют на структуру материала и выход продукта. Синтез α-Ni(OH)2 при более высоких температурах увеличивает выход реакции, уменьшает межслоевое расстояние, увеличивает размер кристаллического домена, сдвигает частоты колебательных мод межслойных анионов и уменьшает диаметр пор. Более длительное время реакции увеличивает выход реакции и приводит к одинаковым размерам кристаллических доменов. Мониторинг реакционного давления in situ показывает, что более высокое давление достигается при более высоких температурах реакции. Этот метод микроволнового синтеза обеспечивает быстрый, высокопроизводительный и масштабируемый процесс, который может быть применен для синтеза и производства различных гидроксидов переходных металлов, используемых для многочисленных накопителей энергии, катализа, датчиков и других применений.

Introduction

Гидроксид никеля, Ni(OH)2, используется для многочисленных применений, включая никель-цинковые и никель-металлогидридные батареи 1,2,3,4, топливные элементы4, электролизеры воды 4,5,6,7,8,9, суперконденсаторы 4, фотокатализаторы4, аниониты 10и многие другие аналитические, электрохимические и сенсорные приложения 4,5. Ni(OH)2 имеет две преобладающие кристаллические структуры: β-Ni(OH)2 и α-Ni(OH)211. β-Ni(OH)2 принимает кристаллическую структуру Mg(OH)2 бруситного типа, в то время как α-Ni(OH)2 представляет собой турбостративно-слоистую форму β-Ni(OH)2, интеркалированную остаточными анионами и молекулами воды из химического синтеза4. В пределах α-Ni(OH)2 интеркалированные молекулы не находятся в фиксированных кристаллографических положениях, а имеют определенную степень ориентационной свободы, а также функционируют как межслойный клей, стабилизирующий слои Ni(OH)2 4,12. Межслойные анионы α-Ni(OH)2 влияют на среднюю степень окисления Ni13 и влияют на электрохимические характеристики α-Ni(OH)2 (относительно β-Ni(OH)2) по отношению к батареям 2,13,14,15, конденсатору16 и водно-электролизным приложениям 17,18.

Ni(OH)2 может быть синтезирован химическим осаждением, электрохимическим осаждением, золь-гель синтезом или гидротермальным/сольвотермическим синтезом4. Пути химического осаждения и гидротермального синтеза широко используются при производстве Ni(OH)2, а различные условия синтеза изменяют морфологию, кристаллическую структуру и электрохимические характеристики. Химическое осаждение Ni(OH)2 включает добавление высокоосновного раствора к водному раствору соли никеля (II). Фаза и кристалличность осадка определяются температурой, а также свойствами и концентрациями используемой соли никеля (II) и основного раствора4.

Гидротермальный синтез Ni(OH)2 включает нагревание водного раствора прекурсора соли никеля (II) в реакционной пробирке под давлением, что позволяет протекать реакции при более высоких температурах, чем обычно допускается при атмосферномдавлении 4. Условия гидротермальной реакции обычно благоприятствуют β-Ni(OH)2, но α-Ni(OH)2 может быть синтезирован (i) с использованием интеркаляционного агента, (ii) с использованием неводного раствора (сольвотермический синтез), (iii) снижением температуры реакции или (iv) включением в реакцию мочевины, в результате чего аммиак интеркалирует α-Ni(OH)24. Гидротермальный синтез Ni(OH)2 из солей никеля происходит с помощью двухступенчатого процесса, который включает реакцию гидролиза (уравнение 1) с последующей реакцией конденсации олатиона (уравнение 2). 19 См.

[Ni(H2O)N] 2+ + hH2O ↔ [Ni(OH)h(H2O) N-h](2-h)++ h3O+ (1)

Ni-OH + Ni-OH2 Ni-OH-Ni + H2O (2)

Микроволновая химия используется для одногоршкового синтеза широкого спектра наноструктурированных материалов и основана на способности конкретной молекулы или материала преобразовывать микроволновую энергию в тепло20. В обычных гидротермальных реакциях реакция инициируется прямым поглощением тепла через реактор. В противоположность этому, в гидротермальных реакциях с использованием микроволновой печи механизмами нагрева являются дипольная поляризация растворителя, осциллирующего в микроволновом поле, и ионная проводимость, генерирующая локализованное молекулярное трение20. Микроволновая химия может повысить кинетику реакции, селективность и выход химических реакций20, что делает ее представляющей значительный интерес для масштабируемого, промышленно жизнеспособного метода синтеза Ni(OH)2.

Для катодов щелочных батарей фаза α-Ni(OH)2 обеспечивает улучшенную электрохимическую емкость по сравнению с фазой13 β-Ni(OH)2, а особый интерес представляют синтетические методы синтеза α-Ni(OH)2. α-Ni(OH)2 был синтезирован различными микроволновыми методами, которые включают микроволновый рефлюкс21,22, микроволновые гидротермальные методы 23,24 и осаждение, катализируемое основаниями25. Включение мочевины в состав реакционного раствора существенно влияет на выход реакции26, механизм26,27, морфологию и кристаллическую структуру27. Установлено, что микроволновое разложение мочевины является критическим компонентом для получения α-Ni(OH)27. Показано, что содержание воды в водном растворе этиленгликоля влияет на морфологию микроволнового синтеза нанолистов α-Ni(OH)2 24. Установлено, что выход реакции α-Ni(OH)2 при синтезе микроволновым гидротермальным путем с использованием водного раствора нитрата никеля и мочевины зависит от рНраствора 26. Предыдущее исследование синтезированных в микроволновой печи наноцветков α-Ni(OH)2 с использованием раствора-прекурсора EtOH/H2O, нитрата никеля и мочевины показало, что температура (в диапазоне 80-120 °C) не является критическим фактором при условии, что реакция проводится выше температуры гидролиза мочевины (60 °C)27. В недавней работе, в которой изучался микроволновый синтез Ni(OH)2 с использованием раствора-прекурсора тетрагидрата ацетата никеля, мочевины и воды, было обнаружено, что при температуре 150 °C материал содержит фазы α-Ni(OH)2 и β-Ni(OH)2, что указывает на то, что температура может быть критическим параметром в синтезе Ni(OH)228.

Гидротермальный синтез с помощью микроволновой печи может быть использован для получения высокоповерхностных α-Ni(OH)2 и α-Co(OH)2 с использованием раствора прекурсора, состоящего из нитратов металлов и мочевины, растворенных в растворе этиленгликоля/H2O12,29,30,31. Металлозамещенные катодные материалы α-Ni(OH)2 для щелочных Ni-Zn аккумуляторов синтезированы с помощью масштабного синтеза, предназначенного для широкоформатного микроволнового реактора12. Синтезированный в микроволновой печи α-Ni(OH)2 также использовался в качестве прекурсора для получения нанолистов β-Ni(OH)2 12, никель-иридиевых нанокаркасов для электрокатализаторов реакции выделения кислорода (ООР)29 и бифункциональных кислородных электрокатализаторов для топливных элементов и водных электролизеров30. Этот путь микроволновой реакции также был модифицирован для синтеза Co(OH)2 в качестве прекурсора для кобальт-иридиевых нанокаркасов для кислотных электрокатализаторов ООР31 и бифункциональных электрокатализаторов30. Микроволновый синтез также использовался для получения Fe-замещенных нанолистов α-Ni(OH)2, а коэффициент замещения Fe изменяет структуру и намагниченность32. Однако о пошаговой процедуре микроволнового синтеза α-Ni(OH)2 и оценке того, как изменение времени реакции и температуры в растворе водно-этиленгликоля влияет на кристаллическую структуру, площадь поверхности и пористость, а также на локальную среду межслойных анионов в материале, ранее не сообщалось.

Этот протокол устанавливает процедуры высокопроизводительного микроволнового синтеза нанолистов α-Ni(OH)2 с использованием быстрой и масштабируемой техники. Влияние температуры и времени реакции варьировалось и оценивалось с помощью мониторинга реакций in situ , сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, азотной поросиметрии, порошковой рентгеновской дифракции (XRD) и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье для понимания влияния синтетических переменных на выход реакции, морфологию, кристаллическую структуру, размер пор и локальную координационную среду нанолистов α-Ni(OH)2 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Схематическое изображение процесса микроволнового синтеза представлено на рисунке 1.

1. Микроволновый синтез нанолистов α-Ni(OH)2

  1. Приготовление раствора прекурсора
    1. Приготовьте раствор прекурсора, смешав 15 мл сверхчистой воды (≥18 МОм-см) и 105 мл этиленгликоля. Добавить 5,0 г Ni(NO3)2 · 6 Ч2О и 4,1 г мочевины в раствор и накрыть.
    2. Поместите раствор прекурсора в ванну, наполненную льдом и водой (частота 40 кГц) и проведите ультразвуковую терапию на полной мощности (без импульса) в течение 30 минут.
  2. Микроволновая реакция раствора прекурсора
    1. Перелейте 20 мл раствора прекурсора в пробирку для микроволновой реакции с перемешивателем из политетрафторэтилена (ПТФЭ) и загерметизируйте реакционный сосуд запорной крышкой с вкладышем из ПТФЭ.
    2. Запрограммируйте микроволновый реактор на нагрев до температуры реакции, используя настройку, как можно быстрее (до 120 или 180 °C) и удерживайте при этой температуре в течение 13-30 минут.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Максимально быстрый нагрев - это настройка микроволновой печи, которая применяет максимальную мощность микроволн до тех пор, пока не будет достигнута желаемая температура; После этого примените переменную мощность для поддержания температуры реакции.
    3. После завершения реакции продуйте реакционную камеру сжатым воздухом до тех пор, пока температура раствора не достигнет 55 °C. Каждая стадия реакции (нагрев, выдержка и охлаждение) осуществляется при магнитном перемешивании при 600 об/мин.
  3. Центрифугирование и промывка СВЧ-реакцией выпадают в осадок.
    1. Перелейте послереакционный раствор в центрифужные пробирки объемом 50 мл. Центрифугу постреакционного раствора при 6,000 об/мин/6,198 rcf в течение 4 мин при комнатной температуре, а затем сцеживают надосадочную жидкость.
    2. Добавьте 25 мл сверхчистой воды, чтобы ресуспендировать нанолисты. Центрифугу используют в тех же условиях, а затем сцеживают надосадочную жидкость.
    3. Повторите этапы промывки, центрифугирования и декантации в общей сложности пять раз с использованием воды, а затем три раза с использованием этанола.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вместо этанола также можно использовать изопропиловый спирт.
  4. Измерение рН до и после микроволновой реакции
    1. Измеряют рН раствора-прекурсора перед началом микроволновой реакции и измеряют рН надосадочной жидкости сразу после первого центрифугирования.
  5. Сушка образца
    1. Накройте центрифужные пробирки салфеточным или бумажным полотенцем, чтобы оно действовало как пористое покрытие, чтобы уменьшить возможное загрязнение, и высушите их в печи для образцов при температуре 70 °C в течение 21 часа в атмосфере окружающей среды.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время и условия сушки могут влиять на относительную интенсивность и значения 2θ° пиков (XRD), как описано в разделе Репрезентативные результаты.

2. Характеристика и анализ материалов

  1. Характеристика морфологии и состава с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС)
    1. Подготовьте образцы для анализа SEM и EDS, суспендировав небольшое количество порошка Ni(OH)2 в 1 мл этанола с помощью ультразвукового аппарата на водяной бане.
    2. Капля отлитой смеси Ni(OH)2/этанола на заглушке SEM и выпарите этанол, поместив заглушку SEM в печь для образцов при температуре 70 °C.
    3. Соберите микрофотографии СЭМ и спектры ЭДС. Получение изображений РЭМ с помощью ускоряющего напряжения 10 кВ и тока 0,34 нА при увеличениях 6,5 кХ, 25 кХ и 100 кХ. Соберите спектры EDS на выбранных участках, используя ускоряющее напряжение 10 кВ, ток 1,4 нА и увеличение 25 кХ.
  2. Анализ площади поверхности и пористости с помощью азотной физикосорбционной порометрии
    1. Подготовьте образцы для анализа, добавив 25 мг Ni(OH)2 в пробирку для образцов. Перед анализом провести процедуру предварительной дегазации и сушки под вакуумом при 120 °C в течение 16 часов.
    2. Переместите пробирку с образцом из отверстия для дегазации в порт для анализа для сбора изотерм азота (N2).
    3. Анализ данных изотермы N2 с помощью анализа Брунауэра-Эммета-Теллера (BET) для определения удельной площади поверхности. Проведение БЭТ-анализа в соответствии с методологиями Международного союза теоретической и прикладной химии (ИЮПАК)33. Конкретный пакет программного обеспечения, используемый для выполнения анализа BET, включен в таблицу материалов.
    4. Анализ десорбционной ветви изотермы с использованием метода Барретта-Джойнера-Халенды (BJH) для получения объема пор, диаметра пор и распределения пор по размерам. Провести анализ BJH в соответствии с методологиями IUPAC. 33 Специальный пакет программного обеспечения для анализа, используемый для выполнения анализа BJH, включен в таблицу материалов.
  3. Структурный анализ с помощью порошковой рентгеновской дифракции (XRD)
    1. Заполните лунку для образца дифрактометрического держателя порошка с нулевым фоном Ni(OH)2, убедившись, что поверхность порошка плоская.
    2. Соберите порошковые рентгеновские дифрактограммы с помощью источника излучения CuKα диапазоне от 5° до 80° 2θ с шагом 0,01.
    3. Проанализируем d-интервал с помощью закона Брэгга,
      nλ = 2d sinθ,
      где n — целое число, λ — длина волны рентгеновского излучения, d — расстояние d, θ — угол между падающими лучами и образцом.
    4. Проанализируйте размер кристаллитного домена D, используя уравнение Шеррера,
      Equation 1
      где Ks – постоянная Шеррера (для анализа использовалась постоянная Шеррера, равная 0,92), λ – длина волны рентгеновских лучей, β2θ– интегральная ширина дифракционного пика, θ – угол Брэгга (в радианах). Для анализа β2θпринимали за полную ширину при полумаксимуме (fwhm) и умножали на константу 0,939434.
  4. Определение характеристик материала с помощью инфракрасной спектроскопии с ослабленным полным коэффициентом отражения и преобразованием Фурье (ATR-FTIR)
    1. Установите приставку с ослабленным полным коэффициентом отражения (ATR) на инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье (ИК-Фурье).
    2. Отожмите небольшое количество порошка Ni(OH)2 между двумя предметными стеклами, чтобы получить небольшую гранулу.
    3. Поместите гранулу Ni(OH)2 на кремниевый кристалл ATR и получите спектр ИК-Фурье спектра от 400 до 4000 см-1. Инфракрасные спектры представляют собой среднее значение 16 отдельных сканов с разрешением 4 см-1 .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Влияние температуры и времени реакции на синтез α-Ni(OH)2
До начала реакции раствор прекурсора [Ni(NO3)2 · 6H2O, мочевина, этиленгликоль и вода] имеет прозрачный зеленый цвет с рН 4,41 ± 0,10 (рис. 2А и табл. 1). Температура микроволновой реакции (120 °C или 180 °C) влияет на давление реакции in situ и цвет раствора (рис. 2B-G и рис. 3). Для реакции 120 °C микроволновое излучение нагревает раствор прекурсора до температуры 120 °C менее чем за 1 мин 30 с. Микроволновый реактор поддерживает температуру на уровне 120 °C в течение 13-30 минут при переменной микроволновой мощности, а затем сосуду требуется 3 минуты для охлаждения до 55 °C (рис. 3A). После подачи температуры реакция 120 °C создает умеренное давление, достигая максимального давления реакции 9-11,5 фунтов на квадратный дюйм. рН раствора повышается с 4,41 ± 0,10 до 6,75 ± 0,04 через 13 мин при 120 °С и повышается до 7,03 ± 0,04 через 30 мин при 120 °С.  Центрифугирование отделяет осажденный порошок от зеленой надосадочной жидкости (рис. 2B-F). При последующей промывке и сушке получается зеленый порошок (Рисунок 2H) с выходом 62 ± 12 мг в течение 13-минутного времени реакции и 131 ± 24 мг в течение 30-минутного времени реакции при 120 °C (Таблица 1).

Повышение температуры реакции со 120 °C до 180 °C приводит к значительному накоплению давления (Рисунок 3A по сравнению с 3B), изменению цвета надосадочной жидкости после реакции (Рисунок 2B по сравнению с 2D и 2E по сравнению с 2G) и увеличению выхода реакции по сравнению с реакциями при 120 °C как при 13, так и при 30-минутном времени реакции (Таблица 1). При температуре реакции 180 °C максимальное давление реакции составляет 138 фунтов на квадратный дюйм, что совпадает с окончанием реакции (рис. 3A). Чтобы определить относительный вклад различных компонентов в давление, сравнивают давление, создаваемое с использованием исходного раствора прекурсора, с давлением, создаваемым с помощью раствора воды, этиленгликоля и мочевины и раствора воды и этиленгликоля (дополнительный рисунок 1). Из сравнения давления, создаваемого из каждого раствора с температурой реакции 180 °C (дополнительный рисунок 1), можно сделать вывод, что растворы, содержащие мочевину, приводят к более высокому давлению. Раствор воды и этиленгликоля вносит постоянный вклад 50 фунтов на квадратный дюйм на протяжении всей реакции; раствор воды, этиленгликоля и мочевины имеет тот же профиль давления, что и раствор нитрата никеля, воды, этиленгликоля и мочевины (показан красным и синим цветом на дополнительном рисунке 1). Дополнительное давление, создаваемое при 180 °C в растворах, содержащих карбамид, объясняется разложением мочевины27 на газообразную фазуCO2 иNH3 (как обсуждается в следующем разделе), при этом паровая фазаH2Oвносит свой вклад в общее давление.

В отличие от надосадочной жидкости зеленого цвета после микроволновой реакции при 120 °C (рис. 2E, F), надосадочная жидкость, полученная после реакции при 180 °C, имеет синий цвет (рис. 2G). На фотографиях реакции in situ видна синяя окраска после охлаждения реакции (рис. 3C), а раствор претерпевает постепенное изменение цвета между концом микроволнового нагрева (вставка #2 на рис. 3B) и концом стадии охлаждения (вставка #3 на рис. 3B). Перед микроволновым нагреванием раствора до 180 °C соль никеля придает раствору прозрачный зеленый цвет (рис. 3С, соответствует блок-боксу #1 на рисунке 3В). Когда реакция прекращается, раствор становится мутным бледно-зеленым (Рисунок 3C, блок-бокс #2 на Рисунке 3B), но по мере охлаждения реакции и снижения давления раствор меняет цвет с мутно-зеленого на синий (Рисунок 3C, блок-бокс #3 на Рисунке 3B). Надосадочная жидкость реакции при 180 °C имеет рН 8,91 ± 0,03, что значительно выше по сравнению с надосадочной жидкостью при 120 °С (рН 6,75 ± 0,04 в течение 13 мин реакции), и более высокий рН может быть связан с более высокими уровнями разложения мочевины. Центрифугирование, промывка и сушка реакции 180 °С в течение 13 мин приводят к получению порошка зеленого цвета (никаких намеков на синий цвет с порошком не наблюдалось) с выходом 202 ± 4 мг, что значительно выше, чем выход реакций при 120 °С (табл. 1).

Влияние времени реакции и температуры на морфологию, состав и пористость α-Ni(OH)2
Сканирующие электронные микрофотографии (СЭМ) показывают, что синтезированные материалы Ni(OH)2 состоят из агрегатов (~1-5 мкм в диаметре) ультратонких нанолистов, которые хаотично переплетаются между собой (рис. 4). Судя по СЭМ-изображениям, температура реакции влияет на относительный направленный рост отдельных нанолистов в общем агрегате. Для реакций при 180 °C (рис. 4D-F) отдельный нанолист в агрегате, по-видимому, имеет более длинные боковые размеры листов по сравнению с размерами реакций при 120 °C (рис. 4A-C и 4G-L). Сравнение СЭМ-изображений материалов, синтезированных в течение 13 мин при 120 °С (рис. 4А) и 30 мин при 120 °С (рис. 4G), показывает, что увеличение времени реакции с 13 до 30 мин при 120 °С увеличивает размер агрегатов наноструктур ядра с ~3 мкм до ~5 мкм. Визуализация аналогичных материалов с помощью просвечивающей электронной микроскопии с высоким разрешением показала, что нанолисты состоят из нескольких кристаллитов, а не нанолист является монокристаллом32. Анализ материалов, полученных с помощью вариации этого способа синтеза, также показал, что нанолисты имеют толщину 2-12 нм и состоят из организованных стопок отдельных (001) слоев12.

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (ЭДС) показывает равномерное распределение никеля, кислорода, углерода и азота во всех синтезированных нанолистовых материалах (рис. 5). Углерод и азот, включенные в структуру, образуются из остаточных соединений из прекурсоров реакции (например, нитратов, мочевины и этиленгликоля) и производных 4,12,35, и присутствие этих соединений в структуре подтверждается ИК-Фурье анализом, как описано ниже.

Согласно анализу физикосорбции азота, синтезированные в микроволновой печи нанолисты Ni(OH)2 имеют площадь поверхности БЭТ в пределах 61-85 м2·г-1, средний объем пор 21-35 Å и кумулятивный объем пор 0,426-0,630 см3·г-1 (табл. 1). Используя номенклатуру IUPAC для типа изотермы и ширины пор33, все материалы, изготовленные с использованием этого протокола, демонстрируют изотермы IV типа, а графики распределения пор по размерам показывают, что большая часть свободного объема находится в диапазонах мезопор (ширина пор 2-50 нм) и макропор (ширина пор >50 нм) (дополнительный рисунок 2). Из этих измерений следует, что площади поверхности материалов, подготовленных при различных температурах и времени реакции, находятся в пределах экспериментальной погрешности друг от друга. Материал, синтезированный при 180 °C в течение 13 мин, имеет меньший диаметр пор и объем пор, чем материал, синтезированный при 120 °C в течение 13 мин, что указывает на то, что температура реакции влияет на пористость материала.

Влияние времени реакции и температуры на структуру α-Ni(OH)2
Дифрактометры всех трех образцов, синтезированных в микроволновой печи, показывают характерные пики α-Ni(OH)2. Несколько дифракционных пиков наблюдаются в диапазоне 11-12°, 23-24°, 33°, 36° и 59° 2θ, соответствующих плоскостям (001), (002), (110), (111) и (300) плоскостей α-Ni(OH)2 соответственно (рис. 6A)12. Пиковые положения, наблюдаемые на рентгеновской дифрактограмме материала, синтезированного при 120 °C в течение 13 мин, совпадают с положениями гидратированной структуры α-Ni(OH)2 (карточка ICDD No 00-038-0715). Для реакции при 120 °C, по мере увеличения времени синтеза с 13 до 30 мин, положение отражения (001) смещается на более низкое значение 2θ (рис. 6B), увеличивая высоту межслойной галереи с 7,85 до 7,94 Å. Увеличение времени синтеза с 13 до 30 мин при 120 °С не оказывает существенного влияния на размер кристаллитного домена в направлениях (001) или (110) за пределами экспериментальной погрешности (результаты обобщены в таблице 2).

В дополнение к влиянию времени реакции, повышение температуры микроволновой реакции со 120 °C до 180 °C также вызывает изменения кристаллической структуры α-Ni(OH)2 . При повышенных температурах дифракционная плоскость (001) смещается к более высокому значению 2θ (рис. 6B), сокращая высоту межслойной галереи с 7,85 до 7,36 Å и приводя к более узкому (002) пику, что указывает на более высокую степень упорядоченности в межслоевой области (рис. 6A). Дифракционная плоскость (001) α-Ni(OH)2 , синтезированного при 180 °C, находится в положении между гидратированным α-Ni(OH)2 (карта ICDD No 00-038-0715) и нитрованным α-Ni(OH)2 (карточка ICDD No 00-022-0752), и, следовательно, структура согласуется с гидратированным/нитрированным α-Ni(OH)2 (рис. 6B). Поскольку предыдущая работа показала, что пиковое положение отражений (001) в α-Ni(OH)2 зависит от условий сушки36, те же условия сушки (70 °C, 21 ч, окружающая атмосфера) были применены к образцам, чтобы избежать потенциального влияния условий сушки на положение пика (001). Для сравнения также оценивалось влияние других условий сушки. Условия сушки в течение 16 ч в атмосфере окружающей среды или вакууме привели к (001) d-интервалам в пределах экспериментальной погрешности наших стандартных условий сушки 70 °C в течение 21 ч в атмосфере окружающей среды (дополнительный рисунок 3B). Использование более длительного времени сушки в 24 часа в атмосфере окружающей среды приводит к (001) d-интервалу, который немного превышает экспериментальную погрешность; однако сдвиги в d-шаге отражения (001) при использовании различных условий реакции (табл. 2) выходят за пределы экспериментальной погрешности различных условий сушки (дополнительный рисунок 3B).

Морфология нанолистов приводит к существенно различающимся размерам кристаллических доменов, состоящих из плоскостей (001) и (110), которые являются ортогональными плоскостями в кристаллической структуре α-Ni(OH)2 (рис. 6C). Плоскости (001) возникают в результате упорядочения слоев Ni(OH)2 , в то время как плоскости (110) являются результатом упорядочения атомов в плоскости нанолиста. Для материала α-Ni(OH)2 , синтезированного при 120 °C, размеры кристаллитных доменов 4,5 нм (001) и 12,9 нм (110) согласуются с изображениями СЭМ, которые показывают большие боковые размеры листов по отношению к толщине листов (рис. 4). При сравнении α-Ni(OH)2 , синтезированного при 120 °C и 180 °C в течение 13 мин, материал, синтезированный при 180 °C, имеет большие размеры доменов 6,6 нм (001) и 15,2 нм (110) по сравнению со значениями, полученными при 120 °C (табл. 2), что согласуется с СЭМ-микроскопией, которая показывает более крупные и плоские нанолисты в агрегате по сравнению с материалами с 120 °C (рис. 4). Материал, синтезированный при более высокой температуре, имеет больший размер домена, что согласуется с меньшим диаметром пор и объемом пор при физико-сорбционном анализе азота (табл. 1).

Спектры ATR-ИК-Фурье спектров синтезированных микроволнами нанолистов в области 400-4000 см-1 (рис. 7А и табл. 2) показывают моду решетки Ni-O35 между 400-800 см-1, моды лигандов и структурных молекул35 между 800-2000 см-1, цианатные полосы31 между 2000 и 2500 см-1 и моды решетки35 α-OH между 3500 и 3800 см-1. На дополнительных рисунках показаны расширенные области мод решетки Ni-O (дополнительный рисунок 4A), цианатных мод (дополнительный рисунок 4B) и мод решетки α-OH (дополнительный рисунок 4C). Экспериментальные волновые числа для материалов, полученных при различных условиях реакции, и пиковые присвоения из предыдущих исследований включены в Дополнительную таблицу 1. В пределах меченых регионами лигандов и структурных молекул спектров ИК-Фурье спектров (рис. 6B) во всех образцах видны две различные колебательные моды нитратов: связанный нитрат ν3 (NO3-) и свободный нитрат ν3 (свободный NO3-), общие черты α-Ni(OH)2, синтезированные из растворов нитратов никеля12,35. Во всех трех образцах показаны колебательные формы растяжения, возникающие из цианатов, полученных из мочевины, νs(C-O-CN)/νs(OCN-)12,31 и моды изгиба из свободной воды, δs(H-O-H)35. Мода ν(C-O) приписывается карбонатам в материале31 α-Ni(OH)2. Увеличение времени реакции с 13 мин до 30 мин при 120 °C приводит к уменьшению относительной интенсивности моды ν(C-O), что подтверждает, что более длительное время реакции влияет на включение карбонатов в материал, воздействуя на межслоевую область4.

Повышение температуры реакции со 120 °C до 180 °C изменяет частоты и относительные интенсивности колебательных мод цианата, нитрата, гидроксила и воды (рис. 7B). При сравнении материалов при 120 °C и 180 °C в течение 13 мин при более высокой температуре реакции 180 °C частота моды δ(α-OH) смещается в сторону более высокого волнового числа (зеленая выделенная область на рисунке 7B), что указывает на изменение локальной потенциальной энергетической среды -OH, скоординированной с Ni-центром. Температура реакции также изменяет относительную интенсивность цианатного, нитратного и свободного режимов воды. Сравнение спектров образцов, нагретых до 180 °C и 120 °C, показывает, что по сравнению с модой ν3(NO3-) (серым цветом выделена область на рис. 7B) интенсивности моды ν(C-O-CN) (красная врезка рис. 7B) и δ(H-O-H, свободная) моды (синяя вставка на рис. 7B) ниже в материале с 180 °C по сравнению с материалом с 120 °C. Кроме того, относительная интенсивность нитратных мод, ν3(NO3-) и ν3(NO3-, свободная), по сравнению с δ(H-O-H, свободная) мода выше при повышенных температурах реакции. Увеличение относительной интенсивности нитратных мод по сравнению с режимом δ(H-O-H, свободный) при повышенных температурах реакции подтверждает результаты дифрактометрического анализа, согласно которому повышение температуры реакции со 120 до 180 °C приводит к тому, что материал выражается в виде гидратированно-нитрированного α-Ni(OH)2. Форма пика цианатной моды, возникающей между 2000 и 2500 см-1, также изменяется с повышением температуры реакции (дополнительный рисунок 4B), где в образцах, по-видимому, есть две полосы. В области цианатной моды образец, нагретый до 180 °C, имеет иную относительную интенсивность пика более высокой частоты по сравнению с образцами с температурой 120 °C.

Наблюдаемые изменения частоты и относительной интенсивности указывают на изменение температуры и времени реакции в локальном потенциально-энергетическом окружении этих фрагментов, и необходим дополнительный анализ для дальнейшего установления частотно-структурных корреляций этих колебательных мод в этих материалах.

Figure 1
Рисунок 1: Схематическое изображение синтеза нанолистов α-Ni(OH)2 . В процессе использовались 20 мл аликвот исходного раствора (Ni(NO)3 · 6H2O, мочевина, этиленгликоль иH2O), разогретых в микроволновой печи при переменном времени реакции (13 или 30 мин) и температурах (120 или 180 °C) с образованием нанолистов α-Ni(OH)2 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Изображения микроволнового реакционного раствора, состоящего из нитрата никеля, мочевины, этиленгликоля и воды. а) до микроволнового излучения; после микроволнового излучения в течение (B) 13 мин при 120 °C, (C) 30 мин при 120 °C и (D) 13 мин при 180 °C. Изображения образцов после первого центрифугирования [которое отделяет Ni(OH)2 от любого непрореагировавшего нитрата никеля, мочевины, этиленгликоля и воды]: (E) 13 мин при 120 °C, (F) 30 мин при 120 °C и (G) 13 мин при 180 °C. (H) Промытые и высушенные порошки материалов, синтезированных с использованием 13 мин при 120 °C, 30 мин при 120 °C и 13 мин при 180 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Профили времени, температуры и давления микроволновых реакций растворов, состоящих из нитрата никеля, мочевины, этиленгликоля и воды. Исследовано влияние времени реакции на давление синтезированного микроволнами Ni(OH)2 при (А) 120 °С в течение 13 и 30 мин и (В) 180 °С в течение 13 мин. (С) Фотографии реакции in situ реакции при 180 °С. Розовые вставки 1-3 на рисунке (В) соответствуют фотографиям реакции in situ на рисунке (С). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Сканирующие электронные микрофотографии микроволново синтезированных нанолистов α-Ni(OH)2 при различных увеличениях. (A-C) 13 мин при 120 °C, (D-F) 13 мин при 180 °C и (G-L) 30 мин при 120 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Энергодисперсионное рентгеновское спектроскопическое элементное картирование никеля (Ni), кислорода (O), углерода (C) и азота (N) в микроволновом синтезе нанолистов α-Ni(OH)2. (A-E) 13 мин при 120 °C, (F-J) 13 мин при 180 °C и (K-O) 30 мин при 120 °C. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 6
Рисунок 6: Рентгеновская дифракционная картина синтезированных в микроволновой печи нанолистов α-Ni(OH)2, полученных в различных условиях реакции (13 мин при 120 °C, 13 мин при 180 °C и 30 мин при 120 °C). (A) Порошковая дифрактометрия между 5°-80° 2 областями. (B) Расширенная область дифрактограммы в областях 10-14°2, показывающая плоскость (001) α-Ni(OH)2. (C) Сравнение модельной кристаллической структуры α-Ni(OH)2 с синтезированными в микроволновой печи нанолистами α-Ni(OH)2, созданными с помощью программного обеспечения для определения кристаллической структуры37. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 7
Рисунок 7: Спектры инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (ATR-FTIR) с ослабленным суммарным отражением нанолистов α-Ni(OH)2 , синтезированных в микроволновой печи. Нанолисты получали при различных условиях реакции (13 мин при 120 °C, 13 мин при 180 °C и 30 мин при 120 °C) и анализировали с помощью ATR-FTIR в области (A) 400-4000 см-1 и (B) расширенном виде в области 800-2000 см-1 ; Пиковые назначения отображаются, а сведения о пиковых назначениях приводятся в тексте. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Условия реакции Элементный состав, определяемый методом EDS Физикосорбция азота
Температура реакции (°C) Время реакции (минуты) рН до реакции рН после реакции Выход (мг) Атомный % Ni Атомный % O BET Площадь поверхности (м2 • г-1) Диаметр пор (Å) Объем пор (см3 • г-1)
120 °С 13 4,41 ± 0,10 6,75 ± 0,04 62 ±12 21 ± 2 68 ± 4 79 ±19 35 ± 6 0,630 ± 0,093
180 °С 13 4,41 ± 0,10 8,91 ± 0,03 202 ± 4 21 ± 1 67 ± 4 85 ±10 21 ± 2 0,497 ± 0,085
120 °С 30 4,41 ± 0,10 7,03 ± 0,04 131 ±24 16 ± 4 67 ± 4 61 ±21 21 ±14 0,426 ± 0,115

Таблица 1: Физико-химические характеристики синтезированного в микроволновой печи Ni(OH)2. Характеристики измерялись при различных температурах (120 °C и 180 °C) и времени реакции (13 мин и 30 мин); рН, выход, элементный состав по данным энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС) и азотной порометрии; Подробности приведены в тексте.

Условия микроволновой реакции Дифракция рентгеновских лучей Инфракрасная спектроскопия
(001) d-интервал (Å) Размер кристаллитного домена (нм) Волновое число (см-1)
<001> <110> ν(Ni-O) δ(α-ОН) ν3(NO3-) νs(OCN-)
13 мин при 120 °C 7,85 ± 0,17 4.5 ± 1.1 12,9 ± 1,3 617 1487 1289 2183
13 мин при 180 °C 7,36 ± 0,03 6,6 ± 0,5 15,2 ± 0,6 620 1493 1291 2207
30 мин при 120 °C 7,94 ± 0,02 5,2 ± 0,6 12,0 ± 1,7 620 1498 1294 2197

Таблица 2: Структурный анализ микроволново синтезированных нанолистов α-Ni(OH)2 . Структурный анализ нанолистов, полученных в различных условиях реакции (13 мин при 120 °С, 13 мин при 180 °С и 30 мин при 120 °С), полученных с помощью порошковой дифрактометрии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Подробности приведены в тексте.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Микроволновый синтез обеспечивает способ получения Ni(OH)2, который значительно быстрее (время реакции 13-30 мин) по сравнению с традиционными гидротермальными методами (типичное время реакции 4,5 ч)38. При использовании этого слабокислого метода микроволнового синтеза для получения ультратонких нанолистов α-Ni(OH)2 было замечено, что время реакции и температура влияют на рН реакции, выход, морфологию, пористость и структуру получаемых материалов. При использовании манометра in situ в течение обеих реакций с температурой 120 °C происходит очень небольшое накопление давления, но при повышении температуры реакции со 120 °C до 180 °C создается значительное давление реакции. Мочевина разлагается наNH3 иCO2 (уравнение 3), а затем вступает в дальнейшую реакцию с образованием CO32- и OH- (уравнения 4 и 5), а также NH4+ и OCN- (уравнение 6)27, при этом непрерывное высвобождение OH- приводит к реакциям гидролиза и конденсации, которые приводят к росту структуры27 Ni(OH)2.

H2NCONH2 (с) + H2O (л) Equation 2 2 NH3 (г) + CO2 (г) (3)
H2O (l) + CO2 (g) → CO32 (aq) + 2 H+ (aq) (4)
NH3(g) + H2O(l) → NH4+(aq) + OH-(aq) (5)
H2NCONH2(s) + H2O(l) → OCN- (aq) + NH4+(aq)+H2O(l) (6)

Увеличение давления, возникающего во время реакции, проводимой при 180 °C, объясняется газом, образующимся при разложении мочевины. Реакция при температуре 180 °C также приводит к повышению уровня рН в результате опосредованного мочевиной подщелачивания (повышения рН) раствора. Повышение рН и более высокий выход продукта реакции 180 °C являются результатом увеличения скорости разложения мочевины, что может привести к более быстрому протеканию реакции гидролиза и конденсации нитрата никеля. Этот анализ согласуется с предыдущими работами, в которых сообщалось о синтезе α-Ni(OH)2 в мочевине иH2Oи было обнаружено, что выход реакции зависит от эволюции pH26.

Реакционное давление и более высокий рН, полученные при более высокой температуре реакции, также могут влиять на предпочтительное направление латерального роста нанолистов, как видно из изображений РЭМ (рис. 4), при этом синтезированные нанолисты при 120 °C организуются более хаотично по сравнению с более плоской организацией нанолистов с температурой 180 °C. По окончании реакции при температуре 180 °C цвет раствора меняется с мутно-зеленого на синий по мере сброса давления, что может быть связано с реакцией аммиака с непрореагировавшим Ni в растворе, в результате чего раствор становится синим. Изменение цвета от зеленого к синему может быть связано с реакцией NH3 с любым оставшимся непрореагировавшим Ni2+ и образованием синего раствора, который может содержать NH3-координированный Ni комплекс39. Тем не менее, необходим дальнейший анализ, чтобы определить специфическое видообразование голубой окраски.

Предыдущее исследование, проведенное группой Suib, показало, что в диапазоне 80-120 °C (выше температуры гидролиза мочевины 60 °C) температура не является критическим фактором в микроволновом синтезенаноцветов α-Ni(OH)2 с помощью микроволновой печи. В этом исследовании более высокие температуры (120-180 °C) влияют на кристаллическую структуру, локальную структуру и пористость α-Ni(OH)2. Этот раствор микроволнового синтеза отличается от них подбором растворителя; в этой реакции используется смешанный этиленгликоль/Н2О, тогда как группа Суиба использовала этанол/Н2Ов качестве реакционной среды27. Площадь поверхности нанолистов α-Ni(OH)2, синтезированных по этому протоколу (61-85м2·г-1), больше по сравнению с Ni(OH)2, синтезированными из NiCl2(9,2м2·г-1)22, но меньше, чем при микроволновом рефлюксе нитрата никеля в этаноле (173м2·г-1)21.

Сообщается, что при синтезе в мочевине иH2Oрост кристаллитов α-Ni(OH)2 является анизотропным, увеличивающимся в направлении (001) [при этом рост (110) остается постоянным] с течением времени реакции и выравнивается с истощением Ni2+ в растворе26. В этом исследовании наблюдается большее изменение размера кристаллитов в направлениях (001) и (110) при повышенных температурах по сравнению с изменениями размера кристаллитов, вызванными более длительным временем реакции. Показано, что межслойная область металлозамещенного α-Ni(OH)2 изменяет d-расстояние и межслойный порядок на основе электростатики и популяции молекул в промежуточномслое 12. Аналогичным образом, в этой работе показаны изменения в d-интервале и межслоевом упорядочении, но при повышенных температурах реакции и более длительном времени реакции, а не при использовании металлических легирующих добавок. Анализы XRD, FTIR и SEM-EDS показывают, что при температуре реакции 120 °C структура материала α-Ni(OH)2 представляет собой гидратированную форму α-Ni(OH)2 с межслойной областью, содержащей преимущественно свободные нитраты, свободные молекулы воды и другие остаточные молекулы исходных химических веществ. Изображение кристаллической структуры α-Ni(OH)2 с межслойной водой и ионами показано на рисунке 6C, где межслоевая вода и ионы не находятся в фиксированных кристаллографических положениях в элементарной ячейке, но имеют некоторую свободу вращения и перемещения в ab-плоскости4.

При повышении температуры реакции до 180 °C наблюдается меньший (001) d-интервал, более упорядоченная (002) межслоевая область и уменьшение относительной интенсивности δ(HOH, свободная) колебательная мода. Во время синтеза при 180 °C накопление давления в реакции происходит частично из-за разложения мочевины, а также из-за испаренияH2O, в результате чего уменьшается количество фазы раствора H2O, доступной для включения в структуру α-Ni(OH)2 . Различия в положениях пиков XRD и относительных интенсивностях нитратных мод ν3 (NO3-) и ν3 (NO3-, свободный) по сравнению с режимом δ(H-O-H, свободный) при 120 и 180 °C подтверждают, что проведение реакции при более высокой температуре увеличивает относительную концентрацию нитратов в структуре; Однако необходим дальнейший анализ, чтобы определить, как нитратные анионы взаимодействуют внутри структуры. Разложение мочевины способствует повышению реакционного давления, что приводит к более высокой производительности реакции гидролиза и конденсации Ni(OH)2 по сравнению с реакциями при 120 °C. Относительная интенсивность моды νs(C-O-CN) образца с температурой 180 °C уменьшается по сравнению с образцом с температурой 120 °C, что указывает на то, что при более высоких температурах в структуре присутствует меньше продукта разложения мочевины.

В этой работе представлен протокол микроволнового синтеза Ni(OH)2 и показано, что температура и время реакции влияют на структуру и выход α-Ni(OH)2 . Использование различных условий синтеза для управления структурой обеспечивает путь к разработке улучшенных материалов для аккумуляторов и других применений. К ограничениям этой реакции относятся относительно большие объемы никельсодержащих водных отходов, образующихся на этапах промывки/центрифугирования протокола. Реакция может привести к возникновению высокого давления и аммиака в качестве побочного продукта и может быть непригодна для реакторов под открытым небом или невентилируемых рабочих мест. Кроме того, этот протокол был оценен в лабораторном микроволновом реакторе и может быть модифицирован для масштабирования маршрута синтеза до килограммового масштаба.

Дополнительный рисунок 1: Сравнение зависимости температуры и давления реакции от времени. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный рисунок 2: Анализ синтезированных в микроволновой печи нанолистов αNi(OH)2 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный рисунок 3: Влияние условий сушки на рентгеноструктурные картины α-Ni(OH)2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительный рисунок 4: Ослабленные инфракрасные спектры полного отражения-преобразования Фурье (ATR-FTIR) микроволновых синтезированных нанолистов α-Ni(OH)2 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Дополнительная таблица 1: ИК-Фурье анализ синтезированных в микроволновой печи нанолистов α-Ni(OH)2 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Конфликт интересов у авторов отсутствует.

Acknowledgments

S.W.K. и C.P.R. выражают благодарность за поддержку со стороны Управления военно-морских исследований Программы подводных исследований ВМС США (грант No N00014-21-1-2072). S.W.K. выражает признательность за поддержку со стороны Программы стажировки военно-морских научно-исследовательских предприятий. C.P.R и C.M. выражают признательность за поддержку со стороны Национального научного фонда Партнерства в области исследований и образования в области материалов (PREM), Центр сборки интеллектуальных материалов, премия No 2122041, за анализ условий реакции.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Liu, B., et al. 120 Years of nickel-based cathodes for alkaline batteries. Journal of Alloys and Compounds. 834, 155185 (2020).
  2. Young, K. H., et al. Fabrications of high-capacity α-Ni(OH)2. Batteries. 3, 6 (2017).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Miao, Y., et al. Electrocatalysis and electroanalysis of nickel, its oxides, hydroxides and oxyhydroxides toward small molecules. Biosensors and Bioelectronics. 53, 428-439 (2014).
  6. Suen, N. T., et al. Electrocatalysis for the oxygen evolution reaction: recent development and future perspectives. Chemical Society Reviews. 46 (2), 337-365 (2017).
  7. 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).
  8. Rossini, P. dO., et al. Ni-based double hydroxides as electrocatalysts in chemical sensors: a review. Trends in Analytical Chemistry. 126, 115859 (2020).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Bilecka, I., Niederberger, M. Microwave chemistry for inorganic nanomaterials synthesis. Nanoscale. 2 (8), 1358-1374 (2010).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Zhu, Y., et al. Ultrathin nickel hydroxide and oxide nanosheets: synthesis, characterizations and excellent supercapacitor performances. Scientific Reports. 4, 1-7 (2014).
  25. 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).
  26. Soler-Illia, G. J. dA., 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Kimmel, S. W., et al. Structure and magnetism of iron-substituted nickel hydroxide nanosheets. Magnetochemistry. 9 (1), 25-47 (2023).
  33. 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).
  34. Birkholz, M., Fewster, P. F., Genzel, C. Thin Film Analysis by X-ray Scattering. , Wiley-VCH. (2006).
  35. 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).
  36. 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).
  37. Momma, K., Izumi, F. VESTA for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data. Journal of Applied Crystallography. 44 (6), 1272-1276 (2011).
  38. 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).
  39. 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).

Tags

Химия выпуск 198 Температура реакции Время реакции Структура материала Выход продукта Межслоевое расстояние Размер кристаллического домена Диаметр пор Реакционное давление Путь микроволнового синтеза Высокопроизводительный процесс Гидроксиды переходных металлов Накопление энергии Катализ Применение датчиков
Влияние условий микроволнового синтеза на структуру нанолистов гидроксида никеля
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kimmel, S. W., Kuykendall, V.,… More

Kimmel, S. W., Kuykendall, V., Mough, C., Landry, A., Rhodes, C. P. Effect of Microwave Synthesis Conditions on the Structure of Nickel Hydroxide Nanosheets. J. Vis. Exp. (198), e65412, doi:10.3791/65412 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter