סינתזה ואפיון של Fe-מסומם aluminosilicate צינורות עם מאפייני מוליכות אלקטרונים משופרים

המטרה הכוללת של הליך זה היא לסנתז ננו-צינורות אלומינוסיליקט מסוממים בברזל מסוג אימוגוליט עם תכונות מרקם ומשטח מוגדרות ופער פס מופחת ביחס לאימוגוליט תקין. שיטה זו מאפשרת הכנת ננו-צינורות מסוממים בברזל עם תכולת ברזל מקסימלית של 1.4 אחוזי משקל, על ידי סינתזה ישירה או העמסה לאחר סינתזה. היתרונות העיקריים של סימום לאחר סינתזה הם פשטות ההליך.

מכיוון שסימום מתרחש על ידי החלפה יונית של אלומיניום במשטח החיצוני של ננו-צינורות מוכנים מראש. תוצאה חשובה של סימום ברזל היא שפער פס האימוגוליט יורד מ-4.9 ל-2.8 עד 2.4 אלקטרון וולט, מה שרלוונטי במיוחד עבור יישומים פוטו-קטליטיים ומוליכים למחצה. ברזל פני השטח שלושה צדדים יוצרים צינורות עם צבעי אזו אניוניים, שניתן להשתמש בהם כדי לחקור אינטראקציות אלקטרוסטטיות וליגנד במשטחי ננו-צינורות.

הדגמה זו של שיטה זו היא קריטית מכיוון שהיווצרות ננו-צינוריות תלויה אך ורק בשימוש בתנאי הסינתזה המתאימים. כדי להתחיל בסינתזה של ננו-צינורות, בסביבה יבשה, הניחו 187.7 מיליליטר של מים מזוקקים כפולים בכוס של שני ליטר. מוסיפים 1.3 מיליליטר של 70% חומצה פרכלורית לקבלת תמיסה של 80 מילי-מולאר, ומניחים את התערובת על צלחת ערבוב.

בעזרת פיפטה מדורגת מניחים שמונה מיליליטר אלומיניום תלת-שניות-בוטוקסיד בכוס קטנה. מוסיפים 3.8 מיליליטר טטראתיל אורתוסיליקט עם פיפטה מדורגת נוספת, ומערבבים בעדינות עד שהתערובת צלולה וחסרת צבע. יש להשתמש בעודף קל של TEOS, ביחס ליחס הסיליקון לאלומיניום, כדי למנוע היווצרות מועדפת של שלבים אחרים.

מוסיפים את תערובת ATSB TEOS, טיפה חכמה לתמיסת החומצה הפרכלורית תוך כדי ערבוב. המשיכו לערבב במשך 18 שעות לקבלת תערובת שקופה. מוסיפים לתערובת הערבוב 1.3 ליטר מים מזוקקים כפולים.

המשיכו לערבב במשך 20 דקות. מניחים את התערובת המדוללת בכור חיטוי PTFE בעל קירות עבים ומחממים בחום של 100 מעלות צלזיוס למשך ארבעה ימים כדי לפלמר את התערובת. דילול תערובת התגובה הוא קריטי מכיוון שעיבוי של חומצה אורתו-סיליצית מעכב את היווצרות הננו-צינורות.

הטמפרטורה האופטימלית צריכה להיות בין 95 ל-100 מעלות. הפחתת הטמפרטורה מפחיתה את היווצרותם של ננו-צינורות, בעוד שהעלאת הטמפרטורה יוצרת זיהומים. לאחר החימום, אוספים את הננו-צינורות במסנן של 0.02 מיקרון.

שטפו את הננו-צינורות במים מזוקקים כפולים והתבוננו במוצק המסונן. יבש את הננו-צינורות בתנור בחום של 50 מעלות צלזיוס למשך יום אחד כדי לקבל ננו-צינורות אימוגוליט כאבקה לבנה. כדי להתחיל בטעינה לאחר הסינתזה, פזרו 0.25 גרם של ננו-צינורות IMO ב-15 מיליליטר מים מזוקקים כפולים.

מוסיפים 0.025 גרם ברזל שלושה כלוריד הקסהידרט ומערבבים את התערובת למשך 18 שעות. לאחר מכן הוסיפו שלושה מיליליטר מים ו -1.5 מיליליטר אמוניום הידרוקסיד לתערובת החומה-אדמדמה כדי לזרז מיני ברזל אוקסו-הידרוקסיד. מסננים את התערובת, שוטפים את המוצקים במים מזוקקים כפולים ומייבשים בחום של 120 מעלות צלזיוס למשך 48 שעות כדי לבודד את ננו-צינורות הברזל-L-IMO.

כדי להתחיל בסינתזה של ננו-צינורות מסוממים בברזל, בסביבה יבשה, יש להמיס 0.1 גרם ברזל שלושה כלוריד הקסהידרט ב-190 מיליליטר של תמיסת חומצה פרכלורית של 80 מילי-מולרית במים מזוקקים כפולים על ידי ערבוב. הכינו תערובת של שמונה מיליליטר ATSB ו -3.8 מיליליטר TEOS בעזרת פיפטות מדורגות. ואז מוסיפים את התערובת טיפה חכמה לתמיסת הברזל תוך כדי ערבוב.

בדוק שהתערובת pH הוא ארבע ולאחר מכן ערבב את התערובת במשך 18 שעות לקבלת תערובת חומה-אדמדמה. מוסיפים לתערובת 1.3 ליטר מים מזוקקים כפולים ומערבבים שעה. לאחר מכן שופכים את התערובת לכור חיטוי PTFE.

סוגרים את הכור ומחממים את התערובת בתנור בחום של 100 מעלות צלזיוס למשך ארבעה ימים. אוספים את המוצקים, שוטפים במים מזוקקים כפולים ומייבשים את המוצקים ב-50 מעלות צלזיוס למשך הלילה כדי לבודד ננו-צינורות ברזל 0.70 IMO. בבקבוק נפחי מכינים 200 מיליליטר של 0.67 מילי-מולרית חומצה כתומה שבע תמיסה במים מזוקקים כפולים.

ה-pH של התמיסה הסופית צריך להיות 6.8. מלאו קובטה ורכשו ספקטרום UV-Vis שידור של תמיסת הצבע כהתייחסות התחלתית. קבע את עוצמת רצועת ה-484 ננומטר המתאימה לטאוטומר ההידרזון של חומצה כתומה שבע.

עבור כל דגימה, הניחו 50 מיליליטר של תמיסת צבע ב-50 מיליגרם של ננו-צינורות מבודדים בבקבוק כהה והתחילו לערבב את התערובת. לאחר חמש דקות, הכינו צינור וצנטריפוגה חמישה מיליליטר מהתערובת בחום של 835 פעמים G למשך שלוש דקות. שפכו את הסופרנטנט וקבעו את עוצמת רצועת ה-484 ננומטר.

השאירו את הדגימה תוך ערבוב למשך שלושה ימים, צנטריפוגה וניתוח חלקים מהדגימה בזמנים מוגדרים. עקוב אחר עוצמת הפס של 484 ננומטר כדי לקבוע את כמות הצבע הנספג בננו-צינורות לאורך זמן. ספקטרוסקופיה מחזירי אור מפוזרים UV-Vis מצביעה על החלפה איזומורפית של ברזל שלוש פלוס באלומיניום אוקטהדרלי שלוש פלוס בכל ה-NTs המסוממים בברזל.

העמסה לאחר סינתזה מעדיפה היווצרות אשכולות ברזל אוקסו-הידרוקסיד, אם כי האשכולות נראים גם ב-NTs המסונתזים עם תכולת ברזל גבוהה יותר. התנהגות המטען על פני השטח של ה-NTs המסוממים בברזל דומה ל-IMO NTs לא מנופחים, עם זאת, היכולת להסיר צבע אניוני מתמיסת pH 6.8 משתנה. התנהגות המישור בברזל 1.4 וברזל 0.7 NTs מיוחסת להיווצרות תוספות צבע ברזל.

ההבדלים בשטח הפנים ובנפח מצביעים על כך שהעומס שלאחר הסינתזה משפיע בעיקר על פני השטח החיצוניים של NT. לפיכך מניחים שצבירי האוקסו-הידרוקסיד תופסים חלק גדול משטח הברזל-L NT. הגבלת שטח הפנים הזמין לצבע המגושם.

פער הפס יורד בכל ה-NTs המסוממים בברזל. אשכולות ברזל אוקסו-הידרוקסיד נחשבים כמפחיתים את פער הפס של IMO, מה שעולה בקנה אחד עם ה-NTs של ברזל-L בעלי פער הפס הקטן ביותר. אבל המעבר d ל-d מהאשכולות עשוי להקשות על קביעת פער הפס.

בעת ניסיון הליך זה חשוב להשתמש בסביבה נטולת לחות בעת עבודה עם ATSB. על ידי שימוש בסביבה יבשה, ניתן למדוד את קודמן הסיליקון והאלומיניום עם פיפטה מדורגת תוך הימנעות מהידרוליזה של ATSB. בעקבות הליך זה, ניתן לחקור את ההתנהגות הקשורה של תרכובות אחרות כדי לענות על שאלות נוספות לגבי פעילותן של ננו-צינורות מסוממים בברזל, כגון הפעילות הפוטו-קטליטית כלפי מזהמים אורגניים במים.

פיתוח טכניקת ההעמסה לאחר הסינתזה פותח את האפשרות לחקור החלפה של קטיונים דומים לאלומיניום על פני השטח החיצוניים של האימוגוליט על ידי חילופי יונים פשוטים. לאחר צפייה בסרטון זה אתה אמור להבין כיצד לסנתז ולהעריך ננו-צינורות מסוממים בברזל עם ברזל תגובתי שלושה אתרים מתואמים על פני השטח.