Umkehrmikroemulsion-vermittelte Synthese von Monometallische und Bimetall frühes Übergangsmetall Carbide und Nitride Nanopartikel

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Synthese von unzentrierten und metallterminierten Übergangsmetallkarbid-Nanopartikeln. Dies wird erreicht, indem zunächst monometallische oder biometallische Übergangsmetalloxid-Nanopartikel über eine umgekehrte Mikroemulsion in Siliziumdioxidschalen verkapselt werden. Der zweite Schritt besteht darin, die Nanopartikel mit Hilfe eines Rohrofens zu karbonisieren.

In diesem Schritt reduziert molekularer Wasserstoff die verkapselten Metalloxid-Nanopartikel, indem er bei höheren Temperaturen Gittersauerstoffe als molekulares Wasser entfernt. Methan zersetzt sich dann an der Metalloberfläche und interkaliert in das Gitter, wodurch das Karbid entsteht. Der letzte Schritt besteht darin, die Kieselsäureschalen mit einer Lösung bei Raumtemperatur zu entfernen, die wässrige Fluoridmedien enthält.

Letztendlich werden Transmissionselektronenmikroskopie und andere Analysen wie Pulverröntgenbeugung und Röntgenphotoelektronenspektroskopie verwendet, um zu zeigen, dass es sich bei den Nanopartikeln um phasenreine Karbide handelt, die nicht zentriert und metallterminiert sind. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Verfahren, wie z. B. der Nassimprägnierung auf Ruß, besteht darin, dass die Verkapselung in einer Kohlennitridmatrix darin besteht, dass die Partikelgröße und -zusammensetzung vor den Wärmebehandlungen fein abgestimmt werden kann und die resultierenden Nanopartikel auf jedem Katalysatorträger mit hoher Oberfläche dispergiert werden können, ohne den Träger rauen aufsteigenden oder neutralisierenden Bedingungen des Fahrzeugs auszusetzen. Um die umgekehrte Mikroemulsion herzustellen, geben Sie zuerst 240 Milliliter wasserfrei und Heptan in einen sauberen, im Ofen getrockneten Ein-Liter-Rundkolben, der einen ofengetrockneten magnetischen Rührstab enthält, unter Verwendung eines sauberen, im Ofen getrockneten Messzylinders, dann fügen Sie 54 Milliliter Polyoxyethylen-Lorbeerether zu dem Nhat unter ständigem Rühren hinzu und fügen Sie 7,8 Milliliter hochreines deionisiertes Wasser unter ständigem Rühren hinzu.

Geben Sie mit einer Pipette 0,1 bis 0,5 Milliliter Ammoniumhydroxid in Reagenzqualität in die Emulsion, wenn dies gewünscht wird. Um die Hydrolysezeit zu verkürzen, verschließen Sie den Kolben mit einem Gummistopfen und Paraform-Wachs und lassen Sie die umgekehrte Mikroemulsion mindestens 10 Minuten lang mischen. Bereiten Sie als Nächstes einen Metallaloxid-Vorläuferalkohol und eine Heptanlösung vor.

Indem der saubere, im Ofen getrocknete 250-Milliliter-Rundkolben zuerst in eine trockene Stickstoff-Handschuhbox gegeben wird, werden 12 Milliliter mit 5 % Gewicht pro Volumen hinzugefügt. Tantal-Isop-Prop-Oxid in Isopropanol unter Verwendung einer sauberen, trockenen Spritze In diesem Stadium können auch andere Metalleloxide unter Verwendung einer sauberen, ofengetrockneten Kanüle hinzugefügt werden. 120 Milliliter wasserfrei und heptan werden in den 250-Milliliter-Kolben überführt, der die Metall-Elch-IDE-Lösung enthält.

Übertragen Sie anschließend mit einer sauberen, ofengetrockneten Kanüle den Elchoxidalkohol und die Heptanlösung in die umgekehrte Mikroemulsion unter ständigem Rühren über einen Zeitraum von 10 Minuten. Verwenden Sie nach vier Stunden eine saubere, trockene Spritze, um 1,4 Milliliter Ammoniumhydroxid in Reagenzqualität tropfenweise in die Lösung zu injizieren. Injizieren Sie dann mit einer anderen sauberen, trockenen Spritze tropfenweise 1,2 Milliliter Tetraethylorthosilikat in Reagenzqualität.

Entfernen Sie nach 16,5 Stunden den Gummistopfen und fügen Sie der Lösung mit einem sauberen, trockenen Messzylinder unter ständigem Rühren 300 Milliliter Methanol hinzu. Entfernen Sie nach 10 Minuten Rühren den Rührstab und lassen Sie die Lösung nach einer Stunde absetzen, dekantieren Sie die flüssigen Phasen in einen Behälter für organische Abfälle und sammeln Sie die mit Siliziumdioxid verkapselten Metalloxide in sauberen 50-Milliliter-Zentrifugenröhrchen, bevor Sie sie weiter verarbeiten, wie im Textprotokoll beschrieben, um das mit Siliziumdioxid verkapselte Metalloxidpulver in einer Methanwasserstoffatmosphäre zu verkohlen. Laden Sie das mit Calciumkieselsäure verkapselte Metalloxidpulver in ein unglasiertes Illumina-Tiegelschiffchen und legen Sie es in einen Quarzrohrofen. Spülen Sie den Quarzrohrofen mindestens 30 Minuten lang mit Stickstoff, um Sauerstoff zu entfernen.

Führen Sie außerdem eine Dichtheitsprüfung durch, indem Sie alle Fugen mit Seifenwasser besprühen und das mit Siliziumdioxid verkapselte Metalloxidpulver mit einer Heizrate von zwei Grad Celsius pro Minute auf 850 Grad Celsius für vier Stunden unter 120 Standardkubikzentimetern pro Minute oder SCCM aus Wasserstoff und 33 SCCM aus Methan karborisieren, um mit Siliziumdioxid verkapselte Metallkarbide zu bilden. Stoppen Sie nach vier Stunden den Methanfluss und halten Sie das Pulver eine Stunde lang bei 850 Grad Celsius in nur 120 SECM Wasserstoff, um überschüssigen Oberflächenkohlenstoff für die Auflösung von Siliziumdioxid in Ammonium durch Fluorid für säurestabile Metallkarbide abzufangen. Wiegen Sie 200 Milligramm mit Siliziumdioxid verkapselte Metallkarbide ab und geben Sie sie in einen 30 Milliliter verschließbaren Polypropylenbehälter mit einem teflonbeschichteten Magnetrührstab.

Wenn es gewünscht ist, die Nanopartikel auf einem Katalysatorträger mit hoher Oberfläche, wie z. B. Kohlenstoff-, Ruß- oder Kohlenstoffnanoröhren, zu stützen, wiegen Sie das Material ab und geben Sie es in den verschließbaren Polypropylenbehälter. Fügen Sie dann 20 Milliliter ultrareines entionisiertes Wasser hinzu und beginnen Sie mit dem Mischen, um eine Suspension zu bilden. Wiegen Sie fünf Gramm Ammonium-Bi-Fluorid oder ein VF ab und geben Sie es dann zur Rührmischung.

Nach dem Hinzufügen der Dichtung ist die Auflösung des Polypropylenbehälters von A BF in Wasser endotherm, so dass die Temperatur der Lösung sinkt, um eine vollständige Auflösung der Kieselsäure und eine gute Dispersion der Nanopartikel auf dem Katalysatorträger zu gewährleisten. Stoppen Sie die Reaktion nach 16 Stunden, indem Sie Ammoniumhydroxid in Reagenzienqualität tropfenweise hinzufügen, um die A BF-Lösung auf einen pH-Wert von sechs bis sieben zu neutralisieren. Seien Sie vorsichtig, da diese Reaktion exotherm ist: Entleeren Sie das neutralisierte Gemisch in ein Zentrifugenröhrchen und zentrifugieren Sie es 10 Minuten lang bei 2056 mal G.

Hier sehen Sie eine repräsentative Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahme von sowohl mehrfach beschichteten als auch einfach beschichteten frühen Übergangsmetalloxid-Nanopartikeln, die in Siliziumdioxidschalen verkapselt sind. Hier zeigen repräsentative Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen silizienverkapselte Metallkarbid-Nanopartikel nach der Karbonisierung mit unterschiedlichen Metallkarbid-Nanopartikel-Größenverteilungen. Ein repräsentatives Rastertransmissionselektronenmikroskop-Bild von unzentrierten und metallterminierten Wolframkarbid-Nanopartikeln, die auf einem Rußträger dispergiert sind, nachdem die Siliziumdioxidschalen entfernt wurden, ist hier dargestellt.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man unzentrierte metallterminierte Übergangsmetallkarbid- und Nitrat-Nanopartikel mit einem durch umgekehrte Mikrobewegung vermittelten Siliziumverkapselungsansatz synthetisiert.