Síntesis microemulsión inversa mediada de monometálicos y bimetálico temprana de metal de transición de carburo y nitruro de nanopartículas

El objetivo general de este procedimiento es sintetizar nanopartículas de carburo de metal de transición no centradas y terminadas en metal. Esto se logra primero encapsulando nanopartículas de óxido de metal de transición mono o bimetálicas en capas de sílice mediante una microemulsión inversa. El segundo paso consiste en carbonizar las nanopartículas utilizando un horno de tubo.

En este paso, el hidrógeno molecular reduce las nanopartículas de óxido metálico encapsuladas al eliminar los oxígenos de la red como agua molecular a temperaturas más elevadas. Luego, el metano se descompone en la superficie del metal e intercala en la red, formando el carburo. El último paso consiste en eliminar las capas de sílice utilizando una solución a temperatura ambiente que contiene medio acuoso de fluoruro.

Finalmente, se utiliza microscopía electrónica de transmisión y otros análisis como la difracción de rayos X en polvo y la espectroscopía fotoelectrónica de rayos X para demostrar que las nanopartículas son carburos de fase pura, no centrados y terminados en metal. Las principales ventajas de esta técnica frente a métodos existentes, como la impregnación húmeda sobre negro de carbono con encapsulación en una matriz de nitruro de carbono, son que el tamaño y la composición de las partículas pueden ajustarse finamente antes de los tratamientos térmicos, y que las nanopartículas resultantes pueden dispersarse sobre cualquier soporte catalítico de alta área superficial sin exponer al soporte a condiciones severas de carbonización o neutralización. Para preparar la microemulsión inversa, primero añada 240 mililitros de heptano anhidro a un matraz redondo de un litro limpio y secado en horno, que contenga una barra magnética de agitación también secada en horno, utilizando un cilindro graduado limpio y secado en horno; luego añada 54 mililitros de éter laurílico polioxietileno al Nhat y, bajo agitación constante, agregue 7,8 mililitros de agua desionizada ultrapura bajo agitación constante.

Utilizando una pipeta, agregue de 0,1 a 0,5 mililitros de hidróxido de amonio de grado reactivo a la emulsión, si se desea. Para reducir el tiempo de hidrólisis, selle el matraz con un tapón de hule y cera de paraformo y deje mezclar la microemulsión inversa durante al menos 10 minutos. A continuación, prepare una solución de alcohol precursor de alóxido metálico y heptano.

Colocando primero el matraz redondo de 250 mililitros limpio y secado en horno dentro de una caja de guantes con nitrógeno seco, añada 12 mililitros de óxido de tántalo al 5% peso por volumen en isopropanol utilizando una jeringa limpia y seca en esta etapa; también se pueden añadir otros óxidos metálicos utilizando una cánula limpia y secada en horno. Transfiera 120 mililitros de heptano anhidro al matraz de 250 mililitros que contiene la solución de óxido metálico.

A continuación, utilizando una cánula limpia y seca en horno, transfiera la solución de óxido metálico de alcohol y heptano a la microemulsión inversa bajo agitación constante durante un período de 10 minutos. Después de cuatro horas, use una jeringa limpia y seca para inyectar 1,4 mililitros de hidróxido de amonio grado reactivo en la solución gota a gota. Luego, utilizando otra jeringa limpia y seca, inyecte 1,2 mililitros de ortosilicato de tetraetilo grado reactivo gota a gota.

Después de 16,5 horas, retire el tapón de goma y utilice un cilindro graduado limpio y seco para agregar 300 mililitros de metanol a la solución bajo agitación constante. Después de 10 minutos de agitación, retire la barra de agitación y deje reposar la solución durante una hora, decante las fases líquidas en un recipiente para residuos orgánicos y recoja la fase sólida de óxidos metálicos encapsulados en sílice en tubos cónicos limpios de 50 mililitros antes de continuar con el procesamiento según se describe en el protocolo del texto para carbonizar el polvo de óxidos metálicos encapsulados en sílice en una atmósfera de metano e hidrógeno, cargue el polvo de óxidos metálicos encapsulados en sílice con calcio en un crisol tipo barca de porcelana no vidriado de Illumina y colóquelo en un horno de tubo de cuarzo. Lave el horno de tubo de cuarzo con nitrógeno durante al menos 30 minutos para eliminar el oxígeno.

Asimismo, realice una verificación de fugas rociando todas las uniones con agua jabonosa, y carbonice el polvo de óxido metálico encapsulado en sílice utilizando una velocidad de calentamiento de dos grados Celsius por minuto hasta 850 grados Celsius durante cuatro horas bajo un flujo de 120 centímetros cúbicos estándar por minuto, o SCCM, de hidrógeno y 33 SCCM de metano, para formar carburos metálicos encapsulados en sílice. Después de cuatro horas, detenga el flujo de metano y mantenga el polvo a 850 grados Celsius durante una hora únicamente con 120 SCCM de hidrógeno para eliminar cualquier exceso de carbono superficial antes de la disolución de la sílice con fluoruro de amonio para obtener carburos metálicos estables al ácido. Pese 200 miligramos de carburos metálicos encapsulados en sílice y colóquelos en un recipiente sellable de polipropileno de 30 mililitros con una barra magnética revestida de teflón.

Si se desea soportar las nanopartículas sobre un soporte catalítico de alta área superficial, como carbón negro o nanotubos de carbono, pese el material y añádalo al recipiente de polipropileno sellable. A continuación, agregue 20 mililitros de agua desionizada ultrapura e inicie la mezcla para formar una suspensión. Pese cinco gramos de bifluoruro de amonio o un VF y luego añádalos a la mezcla en agitación.

Una vez añellado, la disolución del recipiente de polipropileno de A BF en agua es endotérmica, por lo que la temperatura de la solución disminuirá para garantizar la disolución completa de la sílice y una buena dispersión de las nanopartículas sobre el soporte del catalizador. Detenga la reacción después de 16 horas añadiendo hidróxido de amonio de grado reactivo gota a gota para neutralizar la solución de A BF hasta un pH de seis a siete. Tenga precaución, ya que esta reacción es exotérmica; vacíe la mezcla neutralizada en un tubo de centrífuga y centrifugue a 2056 veces G durante 10 minutos.

Se muestran aquí imágenes representativas de microscopía electrónica de transmisión de nanopartículas de óxido de metal de transición temprana recubiertas múltiple y sencillamente, encapsuladas en capas de sílice. Aquí, imágenes representativas de microscopía electrónica de transmisión muestran nanopartículas de carburo metálico encapsuladas en sílice tras la carbonización, con diferentes distribuciones de tamaño de nanopartículas de carburo metálico. Se muestra aquí una imagen representativa de microscopía electrónica de transmisión con barrido de nanopartículas de carburo de tungsteno no centradas y terminadas en metal, dispersas sobre un soporte de negro de carbono tras la eliminación de las capas de sílice.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo sintetizar nanopartículas de nitruro y carburo de metal de transición terminadas en metal no centrado utilizando un enfoque de encapsulación de silicio mediado por microagitación inversa.