סינתזה בתיווך Microemulsion הפוכה של monometallic ובי-המתכתי המוקדם מעבר מתכת קרביד ניטריד חלקיקים

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא לסנתז ננו-חלקיקים של קרביד של מתכות מעבר שאינם ממורכזים ומסתיימים במתכת. דבר זה מושג תחילה על ידי הכמוסה של ננו-חלקיקים של תחמוצת מתכת מעבר מונו-מתכתית או ביו-מתכתית בתוך מעטפות סיליקה באמצעות מיקרו-אמולסיה הפוכה. השלב השני הוא פחמון של הננו-חלקיקים באמצעות כבש תנור צינורי.

בשלב זה, מימן מולקולרי מחזר את ננו-חלקיקי תחמוצת המתכת העטופים על ידי הסרה של חמצני סריג כמים מולקולרי בטמפרטורות גבוהות. לאחר מכן, מתאן מתפרק על פני השטח של המתכת ומסתרק לתוך הסריג ליצירת הקרבייד. השלב הסופי הוא הסרת מעטפות הסיליקה באמצעות תמיסה בטמפרטורת החדר המכילה מדיה פלואורידית מימית.

בסופו של דבר, נעשה שימוש במיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת (TEM) ובניתוחים אחרים כגון דיפרקציית קרני X של אבקה (powder x-ray diffraction) וספקטרוסקופיית פוטו-אלקטרונים בקרני X (x-ray photo electron spectroscopy) כדי להראות כי הננו-חלקיקים הם קרבידים בעלי פאזה טהורה, אינם מרכזיים ומסתיימים במתכת. היתרונות העיקריים של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון ספיגה רטובה על פחמן שחור, הם הכמיסה במטריצת פחמן-ניטריד, המאפשרת כיוונון מדויק של גודל החלקיקים וההרכב שלהם לפני טיפולי החום, והיכולת לפזר את הננו-חלקיקים שנוצרו על כל תומך זרז בעל שטח פנים גבוה מבלי לחשוף את התומך לתנאי קרבונציה או נטרול קשים. להכנת המיקרו-אמולסיה ההפוכה, הוסיפו תחילה 240 milliliters של heptane אנहाइडרי לבקבוק בעל תחתית עגולה של one liter, נקי ומיובש בתנור, המכיל מגנט Stir bar מיובש בתנור, באמצעות משורה נקייה ומיובשת בתנור; לאחר מכן, הוסיפו 54 milliliters של polyoxyethylene Laurel Ether ל-Nhat. תחת ערבוב מתמיד, הוסיפו 7.8 milliliters של מים דה-יוניים בדרגת טוהר גבוהה (ultrapure deionized water).

במידת הצורך, הוסף באמצעות פיפט 0.1 עד 0.5 milliliters של ammonium hydroxide בדרגת רהיט (reagent grade) לאמולסיה. כדי לקצר את זמן ההידרוליזה, אטום את הבקבוק בעזרת פקק גומי ושעוות פאראפורם והשאר את המיקרו-אמולסיה ההפוכה להתערבב למשך 10 דקות לפחות. לאחר מכן, הכן תמיסה של אלכוהול ו-heptane המשמשת כפרקורסור למתכת al oxide.

ראשית, הנח את הבקראק עם תחתית עגולה בנפח 250 מיליליטר, שהיה נקי ויובש בתנור, לתוך תא כפפות עם חנקן יבש, והוסף 12 מיליליטר של Tantalum isopropoxide בריכוז 5% משקל לנפח בתוך isopropanol באמצעות מזרק נקי ויבש. בשלב זה, ניתן להוסיף תחמוצות מתכת אחרות באמצעות קנולה נקייה שיובשה בתנור. העבר 120 מיליליטר של heptane אנहाइडרס לבקראק בנפח 250 מיליליטר המכיל את תמיסת ה-metal alkoxide.

בשלב הבא, בעזרת קנולה נקייה שעברה ייבוש בתנור, העבירו את תמיסת תחמוצת המתכת באלכוהול והפטן אל תוך המיקרו-אמולסיה ההפוכה תוך כדי ערבוב קבוע לאורך 10 דקות. לאחר ארבע שעות, השתמשו במזרק נקי ויבש כדי להזריק 1.4 milliliters של ammonium hydroxide בדרגת רהיט (reagent grade) לתוך התמיסה בטיפות. לאחר מכן, בעזרת מזרק נקי ויבש נוסף, הזריקו 1.2 milliliters של tetraethyl ortho silicate בדרגת רהיט (reagent grade) בטיפות.

לאחר 16.5 שעות, הסר את פקק הגומי והשתמש במשיליר נקי ויבש כדי להוסיף 300 milliliters של methanol לתמיסה תחת ערבוב קבוע. לאחר 10 דקות של ערבוב, הסר את מוט הערבוב והשאר את התמיסה לשקוע למשך שעה אחת, העבר את השלבים הנוזליים למכל פסולת אורגנית ואסוף את תחמוצות המתכת העטופות בסיליקה מהשלב המוצק לשפופרות צנטריפוגה נקיות של 50 milliliter לפני עיבוד נוסף כמתואר בפרוטוקול הטקסט כדי לפחם את אבקת תחמוצת המתכת העטופה בסיליקה באטמוספירה של methane hydrogen; טען את אבקת תחמוצת המתכת העטופה בסיליקה וסידן אל תוך סירת כור של Illumina ללא זיגוג והנח אותה בתנור צינור קוורץ. שטוף את תנור צינור הקוורץ בחנקן למשך 30 דקות לפחות כדי להסיר חמצן.

בנוסף, בצעו בדיקת דליפה על ידי התזת מי סבון על כל החיבורים. בצעו קרבוריזציה לאבקת תחמוצת המתכת העטופה בסיליקה באמצעות קצב חימום של 2 °C לדקה עד לטמפרטורה של 850 °C למשך ארבע שעות תחת זרימה של 120 SCCM של מימן ו-33 SCCM של מתאן, כדי ליצור קרבידים של מתכת העטופים בסיליקה. לאחר ארבע שעות, הפסיקו את זרימת המתאן והחזיקו את האבקה בטמפרטורה של 850 °C למשך שעה אחת תחת 120 SCCM של מימן בלבד, כדי להסיר פחמן עודף מהפני השטח לצורך המסת הסיליקה ב-ammonium bifluoride לקבלת קרבידים של מתכת העמידים בחומצה. שקלו 200 mg של קרבידים של מתכת העטופים בסיליקה והניחם בתוך מיכל פוליפרופילן אטום בנפח 30 mL עם מקל ערבוב מגנטי מצופה טפלון.

אם ברצונכם להניח את הננו-חלקיקים על תומך קטליטי בעל שטח פנים גבוה, כגון פחמן, פחמן שחור או ננו-שפופיות פחמן, שקלו את החומר והוסיפו אותו למכל פוליפרופילן נסגר. לאחר מכן, הוסיפו 20 milliliters של מים דה-יוניים בדרגת טוהר גבוהה (ultrapure) והתחילו בערבוב ליצירת תמיסות (suspension). שקלו חמישה גרם של ammonium bi fluoride או ABF והוסיפו אותם לתערובת הנערבבת.

לאחר האיטום, המסה של A BF במים בתוך מכל הפוליפרופילן היא אנדותרמית, ולכן טמפרטורת התמיסה תרד כדי להבטיח המסה מלאה של הסיליקה ופיזור טוב של הננו-חלקיקים על תומך הזרז. עצור את התגובה לאחר 16 שעות על ידי הוספה טיפה-טיפה של אמון פתאום (ammonium hydroxide) בדרגת רגנט כדי לנטרל את תמיסת ה-A BF ל-pH של שש עד שבע. היזהר, שכן תגובה זו היא אקסותרמית; ריק את התערובת המנוטרלת לתוך מבחנת צנטריפוגה ובצע צנטריפוגה ב-2056 $\times$g למשך 10 דקות.

כאן מוצגות תמונות מייצגות של מיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת של ננו-חלקיקי תחמוצות של מתכתי מעבר מוקדמות, בעלי ציפוי מרובה ובעלי ציפוי יחיד, העטופים במעטפות סיליקה. כאן, תמונות מייצגות של מיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת מציגות ננו-חלקיקי קרבייד מתכת העטופים בסיליקה לאחר פחמימון, עם התפלגויות גדלים שונות של ננו-חלקיקי קרבייד המתכת. כאן מוצגת תמונה מייצגת של מיקרוסקופ סריקה אלקטרוני חודר של ננו-חלקיקי קרבייד טונגסטן שאינם מרכזיים ומסתיימים במתכת, המפוזרים על תמיכת פחם שחור לאחר הסרת מעטפות הסיליקה.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי הדרך לסנתז ננו-חלקיקים של קרבידים וחנקות של מתכעי המעבר עם סיום מתכתי לא מרכזי, באמצעות גישת כיסוי סיליקון המתווכת על ידי תנועת מיקרו הפוכה.