Synthese en afschilfering van discotische zirkonium Fosfaten om colloïdale vloeibare kristallen te verkrijgen

Samenvatting

Een tweedimensionaal modelmateriaal van discotisch zirkoniumfosfaat werd ontwikkeld. Het anorganische kristal met gelaagdde structuur werd gesynthetiseerd door hydrothermale, reflux- en microgolfgeassisteerde methoden. Bij exfoliatie met organische moleculen kunnen gelaagde kristallen worden omgezet in monolagen, en een nematische vloeibare kristalfase werd gevormd bij voldoende concentratie van monolagen.

Samenvatting

Vanwege hun overvloed in natuurlijke klei en potentiële toepassingen in geavanceerde materialen, zijn discotische nanodeeltjes van belang voor wetenschappers en ingenieurs. Het laten groeien van dergelijke anisotropische nanokristallen door middel van een eenvoudige chemische methode is een uitdagende taak. In deze studie vervaardigen we discotische nanodisks van zirkoniumfosfaat [Zr(HPO₄)₂·H₂O] als modelmateriaal door gebruik te maken van hydrothermale, reflux en microgolf-geassisteerde methoden. De groei van kristallen wordt beheerst door duurtijd, temperatuur en concentratie van de reagerende soorten. De nieuwigheid van de toegepaste methoden is dat discotische kristallen met een grootte variërend van honderd nanometer tot enkele micrometer kunnen worden verkregen terwijl de polydispersiteit goed onder controle wordt gehouden. De gelaagde discotische kristallen worden omgezet in monolagen door exfoliatie met tetra-(n)-butyl ammonium hydroxide [(C₄H₉)₄NOH, TBAOH]. Exfoliatiede schijven vertonen isotrope en nematische vloeibare kristalfasen. De grootte en polydispersiteit van schijfsuspensies is zeer belangrijk bij het bepalen van hun fasegedrag.

Inleiding

Discotische colloïden nature overvloedig aanwezig in de vorm van klei, asfalteen, rode bloedcellen en parelmoer. Een waaier van toepassingen in tal van technische systemen, waaronder nanocomposieten ^1, biomimetische materialen, functionele membranen ^2, discotisch liquid crystal studies ³ en Pickering emulsie stabilisatoren ⁴ zijn ontwikkeld op basis van discotische colloïdale nanodisks. Nanodisks met uniformiteit en lage polydispersiteit is belangrijk voor het bestuderen fasen en transformaties van vloeibare kristallen. Zirkonium fosfaat (ZRP) is een synthetisch nanodisks met goed geordende gelaagde structuur en controleerbaar aspect ratio (dikte over diameter). Daarom is de exploratie van de verschillende synthese van de Zimbabwaanse politie helpt bij het fundamenteel begrip van discotisch vloeibaar kristal te zetten.

De structuur van ZRP opgehelderd door Clearfield en Stynes ​​in 1964 ^5. Voor de synthese van gelaagde kristallen van ZRP en hydrothermischereflux werkwijzen worden gewoonlijk vastgesteld ^6,7. Hydrothermale werkwijze geeft een goede beheersing van de grootte variërend van 400 tot 1500 nm en polydispersiteit binnen 25% ^6, terwijl reflux werkwijze geeft kleine kristallen voor dezelfde tijdsduur. Microgolfverwarming is bewezen een veelbelovende methode voor de synthese van nanomaterialen ⁸ zijn. Er zijn echter geen documenten beschrijven de synthese van ZRP basis van microgolven route. De effectieve controle over de grootte, de aspect ratio, en het mechanisme van de kristalgroei door hydrothermale methode werd systematisch onderzocht door onze groep ^6.

ZRP kunnen gemakkelijk worden geëxpandeerd in monolagen in waterige suspensies en geëxpandeerd ZRP zijn goed gevestigd als vloeibaarkristalmaterialen in Cheng groep ^3,9-13. Tot nu toe, geëxpandeerd ZRP nanodisks met verschillende diameters, bijvoorbeeld verschillende aspectverhoudingen, werden onderzocht om te concluderen dat grotere ZRP had I (isotrope) -N (nematische) overgang bij lagere concentratie dan voor kleinere ZRP ^3. De polydispersiteit ^{3, 9} zout en temperatuur ^10,11 effecten op de vorming van nematische vloeibare kristalfase zijn ook overwogen. Bovendien, andere fasen, zoals semantische vloeibare kristalfase, zijn eveneens ^13,14 onderzocht.

In dit artikel tonen we experimenteel zulke veranderingen colloïdale ZRP nanodisks suspensie. ZRP gelaagde kristallen worden bereid met verschillende methoden, en vervolgens worden geëxpandeerd in waterige media monolaag nanodisks verkrijgen. Eind tonen wij vloeibare kristalfase-overgangen vertoond door dit systeem. Een opmerkelijk aspect van deze schijven is hun zeer anisotroop karakter dat de dikte diameterverhouding in het gebied van 0,0007-0,05 afhankelijk van de grootte van ³ schijven. De zeer anisotrope monolaag nanodisks opzetten van een modelsysteem om fase-overgangen studeren in de suspensies van nanodisks.

Protocol

1. Synthese van α-ZRP gebruiken hydrothermische methode

1. Ontbinden 6 g zirconylchloride octahydraat (ZrOCl ₂ · 8H ₂ O) in 3,75 ml gedeïoniseerd (DI) water in een 150 ml rondbodemkolf.
2. Voeg 48 ml 15 M fosforzuur (H PO _{3 4)} druppelsgewijs aan het ZrOCl ₂ bereid in stap 1,1, gevolgd door toevoeging van 8,25 ml gedeïoniseerd (DI) water onder krachtig roeren.
3. Pour verkregen gelachtige mengsel in teflon gevoerd drukvat van 80 ml volume. Plaats het vat in hydrothermale autoclaaf samengesteld uit roestvrij staal shell en deksel, drukplaat en draai goed.
4. Plaats de hydrothermische autoclaaf in convectieoven bij 200 ° C gedurende 24 uur.
5. Na de reactie kan de hydrothermische autoclaaf afkoelen 8 uur tot kamertemperatuur afkoelen onder omgevingsomstandigheden.
6. Verzamel α-Zimbabwaanse politie schijven in centrifugebuis na koeling door middel van centrifuge bij 2,500 xg gedurende 10 min. Verzamel vloeibare deel in afvalcontainer sinds de bovenstaande vloeistof bevat niet-gereageerd fosforzuur die is bijtend.
   1. Daarna, voeg 40 ml water aan a-ZRP, vortex gedurende 1 minuut en centrifugeer bij 2500 xg gedurende 10 min weer. Herhaal deze stap 3 keer zodat al het zuur wordt weggewassen.
7. ZRP droog-water kleverig mengsel in een oven bij 65 ° C gedurende 8 uur en daarna vermalen met stamper en mortier.

2. Synthese van α-ZRP door Reflux Method

1. Meng 6 g ZrOCl ₂ · 8H ₂ O met 50 ml van 12 M fosfaat zuur in een 150 ml rondbodemkolf.
2. Het mengsel bereid in stap 2.1 reflux in een oliebad bij 94 ° C gedurende 24 uur.
3. Was het product met gedeïoniseerd water driemaal na hetzelfde protocol in stap 1,6, en vervolgens gedurende 8 uur gedroogd in een oven van 65 ° C.
4. Maal gedroogde volumineus monster in poeder met behulp van een vijzel en stock fof later te gebruiken.

3. Synthese van α-ZRP door Microgolf-geassisteerde methode

1. Voeg 1 g ZrOCl ₂ · 8H ₂ O in 9 ml 12 M fosforzuuroplossing, en roer het verkregen mengsel goed in een 20 ml scintillatieflesje.
2. Giet 5 ml van het bovengenoemde mengsel in een glazen vat 10 ml die voor microgolfreactor.
3. Stel reactietemperatuur op 150 ° C, maximum druk bij 300 psi en laat de reactie gedurende 1 uur gebeuren.
4. Na de reactie, laat de glazen vat afkoelen voor ongeveer 15 minuten en daarna volgt u dezelfde procedure als in de stappen 1,6-1,7 voor zure wassen en drogen van α-ZRP kristallen.

4. afschilfering van Gelaagde α-Zimbabwaanse politie in Monolagen

1. Homogeniseer 1 g α-ZRP in 10 ml DI water in een 20 ml scintillatieflesje.
2. Voeg 2,2 ml TBAOH (40 gew.%) En het vortex gedurende ten minste 40 sec. Merk op dat de molaire verhouding van Zr: TBAOH wordt gehouden als 1: 1.
3. Ultrasone trillingen de verkregen geconcentreerde suspensie gedurende 1-2 uur en laat gedurende 3 dagen volledig intercalatie van TBA ⁺ ionen en volledige exfoliatie van kristallen mogelijk. Eventueel kunnen geconcentreerde suspensie verdund (2-3 maal verdunning) met water betere afschilfering verkrijgen.
4. Centrifugeer de monsters geëxpandeerd bij hoge snelheid (2500 x g) gedurende 1 uur gedeeltelijk geëxpandeerd kristallen zich op de bodem te verwijderen. Verzamel de bovenste deel (geëxpandeerd ZRP) in een andere container, en herhaal de procedure totdat er geen sediment wordt gevonden.

Resultaten

Figuur 1a-c tonen SEM-beelden van α-ZRP nanodisks verkregen van hydrothermale, reflux, en microgolven methoden, respectievelijk. Er werd waargenomen dat α-ZRP nanodisks tonen zeshoekige vorm en verschillende dikte afhankelijk van synthesecondities en werkwijzen bereid. Een eerder gerapporteerde studie van de groep ⁶ stelt voor dat de kristal- groeitijd 48 uur of meer, de rand van de schijven scherper. Meestal is de reflux methode levert nanodisks kleiner en mi...

Discussie

De reflux werkwijze is een goede keuze voor het maken van een kleinere omvang van α-ZRP met een uniforme diameter en dikte. Vergelijkbaar met de hydrothermische werkwijze wordt de reflux werkwijze beperkt door de voorbereidingstijd. Over het algemeen duurt het langer om de kristallen te groeien.

De langere reactietijd nodig reflux werkwijze kan leiden tot nanodisks met een groter formaat. De gemiddelde grootte geëxpandeerd nanodisks wordt gemeten door dynamische lichtverstrooiing (DLS). In d...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Materiaal
Zirconyl Chloride Octahydrate	Fischer Scientific (Acros Organics)	AC20837-5000	98% +
o-Fosforzuur	Fischer Scientific	A242-1	≥ 85%
Tetra Butyl Ammonium Hydroxide	Acros Organics (Acros Organics)	AC176610025	40% wt. (1.5 M)
Apparatuur
Reactie Oven	Fischer Scientific	CL2 centrifuge	Isotemperatuur Oven (Temperatuur tot 350 °C)
Centrifuge	Thermo Scientific	Niet Beschikbaar	Rotatie Snelheid: 100 - 4.000 rpm
Microwave Reactor	CEM Corporation	Discover en Explorer SP	Temp. tot 300 °C, vermogen tot 300 W, druk tot 30 bar