方法文章

微波合成条件对氢氧化镍纳米片结构的影响

DOI：

10.3791/65412

⸱

2023年8月18日

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1Materials Science, Engineering, and Commercialization Program, Texas State University, 2Department of Chemistry and Biochemistry, Texas State University, 3Westlake Highschool

本文内容

摘要

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氢氧化镍纳米片通过微波辅助水热反应合成。本实验方案表明，微波合成过程中所采用的反应温度和时间会影响反应产率、晶体结构以及局部配位环境。

摘要

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本文介绍了一种在弱酸性条件下通过微波辅助水热法快速合成氢氧化镍纳米片的实验方案，并研究了反应温度和时间对材料结构的影响。在所研究的所有反应条件下，均得到了层状α-Ni(OH)2纳米片的聚集体。反应温度和时间显著影响材料的结构及产物产率。在较高温度下合成α-Ni(OH)2可提高反应产率，减小层间距，增大晶畴尺寸，改变层间阴离子振动模式的频率，并降低孔径。延长反应时间可提高反应产率，但晶畴尺寸变化相似。原位监测反应压力表明，较高反应温度下可获得更高的压力。该微波辅助合成方法提供了一种快速、高通量、可放大的工艺，可用于多种过渡金属氢氧化物的合成与制备，广泛适用于能量存储、催化、传感及其他领域。

引言

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氢氧化镍，Ni(OH)2，用于多种应用，包括镍锌电池和镍氢电池1,2,3,4，燃料电池4，水电解槽4,5,6,7,8,9，超级电容器4光催化剂4阴离子交换剂10以及许多其他分析、电化学和传感器应用4,5Ni(OH)₂2 具有两种主要的晶体结构：β-Ni(OH)2 和 α-Ni(OH)2

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方案

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注意：微波合成过程的示意图见图1。

1. 微波合成α-Ni(OH)2纳米片

  1. 前驱体溶液的制备
    1. 通过混合15 mL超纯水（≥18 MΩ-cm）和105 mL乙二醇来制备前驱体溶液。向溶液中加入5.0 g Ni(NO3)2 · 6 H2O和4.1 g尿素，并盖好容器。
    2. 将前驱体溶液置于装有冰水混合物的超声波清洗仪（频率40 kHz）中，在满功率（无脉冲）条件下超声处理30分钟。
  2. 前驱体溶液的微波反应
    1. 将20 mL前驱体溶液转移至微波反应瓶中，并加入聚四氟乙烯（PTFE）搅拌子，用带PTFE衬垫的锁紧盖密封反应容器。
    2. 设置微波反应器以最快升温模式加热至反应温度（120或180 °C），并在该温度下保持13–30分钟。
      注：最快升温模式是指微波反应器以最大功率加热直至达到目标温度，之后通过调节功率维持反应温度。
    3. 反应完成后，用压缩空气对反应腔进行排气，直至溶液温度降至55 °C。反应的每个阶段（加热、保温和冷却）均在600 rpm的磁力搅拌条件下进行。
  3. 微波反应产....

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结果

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反应温度和时间对α-Ni(OH)₂合成的影响2
反应前，前驱体溶液 [Ni(NO3)2 · 6 H2O、尿素、乙二醇和水] 呈透明绿色，pH 为 4.41 ± 0.10（图2A 和 表1）。微波反应的温度（120 °C 或 180 °C）会影响 原位 反应压力和溶液颜色（图2B-G 和 图3）。对于120 °C反应，微波辐射在不到1分30秒内将前驱体溶液加热至120 °C。微波反应器在可变微波功率下将温度维持在120 °C，持续13至30分钟，随后反应容器需3分钟冷却至55 °C（图3A）。温度达到后，在120 °C下反应产生适量压力，最高反应压力为9–1.......

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讨论

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微波合成提供了一种制备Ni(OH)₂的方法2 明显快于传统的水热法（反应时间通常为4.5小时），其反应时间仅为13–30分钟38采用这种弱酸性微波合成方法制备超薄α-Ni(OH)₂2 纳米片，可以观察到反应时间与温度会影响反应的pH值、产率、形貌、孔隙率以及所得材料的结构。使用一种 原位 反应压力表，在120 °C反应过程中均出现极少量的压力积聚，但将反应温度从120 °C升高至180 °C时会产生显著的反应压力。尿素分解为NH3 和 CO2 （公式 3），然后进一步反应，生成 CO32- 和 OH- （公式 4 和 5），以及 NH4+ 和 OCN- （公式 6）27，伴随着持续释放的 OH- 推动Ni(OH)₂生长的水解和缩合反应2 结构

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致谢

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S.W.K. 和 C.P.R. 感谢美国海军研究办公室海底研究计划（资助号：N00014-21-1-2072）提供的支持。S.W.K. 感谢海军研究企业实习计划提供的支持。C.P.R. 和 C.M. 感谢美国国家科学基金会材料研究与教育合作伙伴中心（PREM）智能材料组装中心（资助号：2122041）对反应条件分析提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
ATR-FTIRBruker配备 Harrick Scientific SplitPea ATR 微量取样附件的 Tensor II FT-IR 光谱仪
超声波清洗器Fisher Scientific15-337-409--
乙醇 VWR 分析级AC61509-0040200 proof
乙二醇VWR 分析级BDH1125-4LP纯度 99%
Falcon 离心管VWR 分析级21008-94050 mL
KimWipes 擦拭纸VWR 分析级21905-026--
Lab Quest 2Vernier LABQ2--
微波反应器Anton Parr165741Monowave 450
Ni(NO3)2 · 6 H2OWard's Science470301-856科研实验室级
pH 探针Vernier PH-BTA使用标准 pH 溶液（pH = 4、7、11）进行校准
孔隙率测定仪Micromeritics --ASAP 2020；分析软件：Micromeritics，版本 4.03
粉末 X 射线衍射仪BrukerAXS 高级粉末 X 射线衍射仪；使用 Highscore XRD 软件进行 d 间距和晶粒尺寸分析，使用 VESTA 3 软件构建晶体结构
反应小瓶Anton Parr8272330 mL G30 宽口，最大装液量 20 mL
反应小瓶锁紧盖Anton Parr161724G30 Snap Cap
反应小瓶 PTFE 隔垫Anton Parr161728宽口
扫描电子显微镜FEI--Helios Nanolab 400
尿素VWR 分析级BDH4602-500GACS 级

参考文献

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  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.,....

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