Synthese und Charakterisierung von Fe-dotierten Aluminosilikatgerüststoffe Nanoröhrchen mit Enhanced Electron leitenden Eigenschaften

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Synthese von eisendotierten Aluminiumsilikat-Nanoröhren des Imogolith-Typs mit definierten Textur- und Oberflächeneigenschaften und einer reduzierten Bandlücke in Bezug auf den eigentlichen Imogolith. Diese Methode ermöglicht die Herstellung von eisendotierten Nanoröhren mit einem maximalen Eisengehalt von 1,4 Gew.-%, entweder durch Direktsynthese oder durch Beladung nach der Synthese. Der Hauptvorteil der Postsynthese-Dotierung ist die Einfachheit des Verfahrens.

Da die Dotierung durch ionischen Austausch von Aluminium in der Außenoberfläche von vorgeformten Nanoröhren erfolgt. Eine wichtige Folge der Eisendotierung ist, dass die Imogolith-Bandlücke von 4,9 auf 2,8 auf 2,4 Elektronenvolt gesenkt wird, was besonders für photokatalytische und Halbleiteranwendungen relevant ist. Oberflächeneisen bildet auf drei Seiten Kanäle mit anionischen Azofarbstoffen, die zur Untersuchung von elektrostatischen und Ligandenwechselwirkungen an Nanoröhrenoberflächen verwendet werden können.

Diese Demonstration dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da die Bildung von Nanoröhren streng von den richtigen Synthesebedingungen abhängt. Um mit der Synthese von Nanoröhren zu beginnen, geben Sie in einer trockenen Umgebung 187,7 Milliliter doppelt destilliertes Wasser in ein Zwei-Liter-Becherglas. Fügen Sie 1,3 Milliliter 70%ige Perchlorsäure hinzu, um eine 80 millimolare Lösung zu erhalten, und geben Sie die Mischung auf eine Rührplatte.

Mit einer graduierten Pipette werden acht Milliliter Aluminium-Tri-Sec-Butoxid in ein kleines Becherglas gegeben. Fügen Sie 3,8 Milliliter Tetraethylorthosilikat mit einer weiteren Messpipette hinzu und rühren Sie vorsichtig, bis die Mischung klar und farblos ist. Ein leichter Überschuss an TEOS in Bezug auf das Verhältnis von Silizium zu Aluminium-Stöchiometrie muss verwendet werden, um die bevorzugte Bildung anderer Phasen zu verhindern.

Geben Sie die ATSB TEOS-Mischung tropfenweise unter Rühren in die Perchlorsäurelösung. 18 Stunden lang weiterrühren, bis eine transparente Mischung entsteht. 1,3 Liter doppelt destilliertes Wasser zur Rührmischung geben.

20 Minuten weiterrühren. Geben Sie das verdünnte Gemisch in einen dickwandigen PTFE-Autoklavenreaktor und erhitzen Sie es vier Tage lang bei 100 Grad Celsius, um das Gemisch zu polymerisieren. Die Verdünnung des Reaktionsgemisches ist kritisch, da die Kondensation von Orthokieselsäure die Bildung von Nanoröhren behindert.

Die optimale Temperatur sollte zwischen 95 und 100 Grad liegen. Durch Verringern der Temperatur wird die Bildung von Nanoröhren verringert, während durch Erhöhen der Temperatur Verunreinigungen gebildet werden. Nach dem Erhitzen die Nanoröhren in einem 0,02-Mikron-Filter sammeln.

Waschen Sie die Nanoröhren mit doppelt destilliertem Wasser und beobachten Sie den gefilterten Feststoff. Trocknen Sie die Nanoröhren einen Tag lang in einem Ofen bei 50 Grad Celsius, um Imogolith-Nanoröhren als weißes Pulver zu erhalten. Um mit der Beladung nach der Synthese zu beginnen, dispergieren Sie 0,25 Gramm IMO-Nanoröhren in 15 Millilitern doppelt destilliertem Wasser.

Fügen Sie 0,025 Gramm Eisen-Dreichlorid-Hexahydrat hinzu und rühren Sie die Mischung 18 Stunden lang. Geben Sie dann drei Milliliter Wasser und 1,5 Milliliter Ammoniumhydroxid zu der rötlich-braunen Mischung, um Eisen-Oxohydroxid-Spezies auszufällen. Filtern Sie die Mischung, waschen Sie die Feststoffe mit doppelt destilliertem Wasser und trocknen Sie sie 48 Stunden lang bei 120 Grad Celsius, um die Eisen-L-IMO-Nanoröhrchen zu isolieren.

Um mit der Synthese von eisendotierten Nanoröhren zu beginnen, lösen Sie in einer trockenen Umgebung 0,1 Gramm Eisen-Dreichlorid-Hexahydrat in 190 Millilitern einer 80 Millimolaren Perchlorsäurelösung in doppelt destilliertem Wasser durch Rühren. Bereiten Sie eine Mischung aus acht Millilitern ATSB und 3,8 Millilitern TEOS mit Messpipetten vor. Und dann die Mischung tropfenweise unter Rühren zur Eisenlösung geben.

Überprüfen Sie, ob der pH-Wert der Mischung vier beträgt, und rühren Sie die Mischung dann 18 Stunden lang, um eine rötlich-braune Mischung zu erhalten. 1,3 Liter doppelt destilliertes Wasser zur Mischung geben und eine Stunde lang rühren. Gießen Sie dann die Mischung in einen PTFE-Autoklavenreaktor.

Schließen Sie den Reaktor und erhitzen Sie das Gemisch vier Tage lang bei 100 Grad Celsius. Sammeln Sie die Feststoffe, waschen Sie sie mit doppelt destilliertem Wasser und trocknen Sie die Feststoffe über Nacht bei 50 Grad Celsius, um Eisen-Nanoröhrchen mit 0,70 IMO zu isolieren. In einem Messkolben werden 200 Milliliter 0,67 millimolare Säure-Orange-Sieben-Lösung in doppelt destilliertem Wasser hergestellt.

Der pH-Wert der endgültigen Lösung sollte 6,8 betragen. Füllen Sie eine Küvette und erfassen Sie ein Transmissions-UV-Vis-Spektrum der Farbstofflösung als Ausgangsreferenz. Bestimmen Sie die Intensität des 484-Nanometer-Bandes, das dem Hydrazon-Tautomer der Säureorange sieben entspricht.

Geben Sie für jede Probe 50 Milliliter Farbstofflösung in 50 Milligramm isolierte Nanoröhrchen in eine dunkle Flasche und beginnen Sie, die Mischung zu rühren. Bereiten Sie nach fünf Minuten ein Röhrchen vor und zentrifugieren Sie fünf Milliliter der Mischung bei 835 mal G für drei Minuten. Dekantieren Sie den Überstand und bestimmen Sie die Intensität des 484-Nanometer-Bandes.

Lassen Sie die Probe drei Tage lang umrühren und zentrifugieren Sie Teile der Probe zu festgelegten Zeiten. Überwachen Sie die Bandenintensität von 484 Nanometern, um die Menge an Farbstoff zu bestimmen, die im Laufe der Zeit in die Nanoröhren adsorbiert wird. Diffuse Reflektoren Die UV-Vis-Spektroskopie deutet auf eine isomorphe Substitution von Eisen drei plus für oktaedrisches Aluminium drei plus in allen eisendotierten NTs hin.

Die Beladung nach der Synthese begünstigt die Bildung von Eisen-Oxohydroxid-Clustern, obwohl die Cluster auch in NTs zu sehen sind, die mit höherem Eisengehalt synthetisiert wurden. Das Oberflächenladungsverhalten der eisendotierten NTs ist ähnlich wie bei undotierten IMO-NTs, jedoch variiert die Fähigkeit, einen anionischen Farbstoff aus einer pH-6,8-Lösung zu entfernen. Das Plateauverhalten in den Eisen 1,4 und Eisen 0,7 NT wird auf die Bildung von Eisenfarbstoffaddukten zurückgeführt.

Die Unterschiede in der Oberfläche und im Volumen deuten darauf hin, dass die Belastung nach der Synthese hauptsächlich die äußere Oberfläche des NT beeinflusst. Es wird daher vermutet, dass die Oxohydroxid-Cluster einen großen Teil der Eisen-L-NT-Oberfläche einnehmen. Begrenzung der Oberfläche, die dem voluminösen Farbstoff zur Verfügung steht.

Die Bandlücke nimmt in allen eisendotierten NTs ab. Es wird angenommen, dass Eisen-Oxohydroxid-Cluster die Bandlücke von IMO verringern, was mit den Eisen-L-NTs mit der geringsten Bandlücke übereinstimmt. Aber der d-zu-d-Übergang von den Clustern könnte die Bestimmung der Bandlücke erschweren.

Bei diesem Verfahren ist es wichtig, bei der Arbeit mit ATSB eine feuchtigkeitsfreie Umgebung zu verwenden. Durch die Verwendung einer trockenen Umgebung ist es möglich, den Silizium- und Aluminiumvorläufer mit einer graduierten Pipette zu messen und gleichzeitig eine ATSB-Hydrolyse zu vermeiden. Nach diesem Verfahren kann das zugehörige Verhalten anderer Verbindungen untersucht werden, um zusätzliche Fragen zu ihrer Aktivität von eisendotierten Nanoröhren zu beantworten, wie z.B. die photokatalytische Aktivität gegenüber organischen Schadstoffen im Wasser.

Die Entwicklung der Postsynthese-Beladungstechnik eröffnet die Möglichkeit, die Substitution von Aluminium durch ähnliche Kationen an der Imogolith-Außenfläche durch einfachen Ionenaustausch zu erforschen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie verstehen, wie man eisendotierte Nanoröhren mit reaktivem Eisen an drei koordinierten Stellen auf einer Oberfläche synthetisiert und bewertet.