Reverse-micro-emulsie gemedieerde synthese van monometallische en bimetaal Vroege Transition Metal Carbide en nitride Nanodeeltjes

Het algemene doel van deze procedure is het synthetiseren van niet-gecentreerde en metaal-getermineerde overgangsmetaalkarbide-nanodeeltjes. Dit wordt bereikt door eerst mono-metallische of bi-metallische overgangsmetaaloxide-nanodeeltjes in silica-schillen te inkapselen via een omgekeerde microemulsie. De tweede stap is het carboniseren van de nanodeeltjes met behulp van een buizenoven.

In deze stap reduceert moleculaire waterstof de ingekapselde metaaloxide-nanodeeltjes door roosterzuurstof bij hogere temperaturen te verwijderen als moleculair water. Methaan ontleedt vervolgens aan het metaaloppervlak en intercaleert in het rooster, waarbij het carbide wordt gevormd. De laatste stap is het verwijderen van de silicahulzen met behulp van een oplossing bij kamertemperatuur die waterige fluoride-media bevat.

Uiteindelijk worden transmissie-elektronenmicroscopie en andere analyses, zoals poeder-röntgendiffractie en röntgenfoto-elektronspectroscopie, gebruikt om aan te tonen dat de nanodeeltjes fasezuivere carbiden zijn, niet-gecentreerd en metaalgetermineerd. De belangrijkste voordelen van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden, zoals natte impregnatie op carbon black, zijn dat inkapseling in een koolstofnitridematrix ervoor zorgt dat de deeltjesgrootte en samenstelling nauwkeurig kunnen worden afgestemd voorafgaand aan de warmtebehandelingen en dat de resulterende nanodeeltjes op elke katalysatordrager met een groot oppervlak kunnen worden gedispergeerd zonder de drager bloot te stellen aan harde carboniserings- of neutraliserende condities. Om de omgekeerde microemulsie te bereiden, voegt u eerst 240 milliliter watervrij n-heptaan toe aan een schone, in de oven gedroogde ronde kolf van één liter die een in de oven gedroogde magnetische roerstaaf bevat, gebruikmakend van een schone, in de oven gedroogde maatcilinder; voeg vervolgens 54 milliliter polyoxyethyleenlaurelether toe aan het n-heptaan en voeg onder constant roeren 7,8 milliliter ultrapuur gedeïoniseerd water toe.

Voeg indien gewenst met een pipette 0,1 tot 0,5 milliliter ammoniumhydroxide van reagenskwaliteit toe aan de emulsie. Om de hydrolysetijd te verkorten, sluit de kolf af met een rubberen stop en paraffine-was en laat de omgekeerde micro-emulsie ten minste 10 minuten mengen. Bereid vervolgens een alcohol- en heptaanoplossing van een metaaloxide-precursor.

Plaats eerst de schone, in de oven gedroogde ronde bodemkolf van 250 milliliter in een droge stikstofhandschoenenkast en voeg 12 milliliter 5% w/v tantaal-isopropoxide in isopropanol toe met een schone, droge spuit. In deze fase kunnen ook andere metaalkalkoxiden worden toegevoegd met een schone, in de oven gedroogde canule. Overbreng 120 milliliter watervrij heptaan naar de kolf van 250 milliliter die de metaalkalkoxide-oplossing bevat.

Overbreng vervolgens, met behulp van een schone en in de oven gedroogde canule, de oplossing van metaaloxide-alcohol en heptaan onder constant roeren gedurende 10 minuten naar de omgekeerde micro-emulsie. Gebruik na vier uur een schone, droge spuit om 1,4 milliliter ammoniumhydroxide van reagenskwaliteit druppelsgewijs in de oplossing te injecteren. Injecteer vervolgens met een andere schone, droge spuit 1,2 milliliter tetraethylorthosilicaat van reagenskwaliteit druppelsgewijs.

Verwijder na 16,5 uur de rubberen stop en voeg met een schone, droge maatsilinder 300 milliliters methanol toe aan de oplossing onder constant roeren. Verwijder na 10 minuten roeren de roerbalkje en laat de oplossing één uur bezinken, schenk de vloeibare fasen af in een container voor organisch afval en verzamel de vaste fase van silica-ingekapselde metaaloxiden in schone centrifugebuisjes van 50 milliliter vóór verdere verwerking, zoals beschreven in het tekstprotocol om het silica-ingekapselde metaaloxidepoeder te carboniseren in een methaan-waterstofatmosfeer, breng het calcium-silica-ingekapselde metaaloxidepoeder over in een ongeglazuurd Illumina-kroesbootje en plaats dit in een kwartsbuisoven. Spoel de kwartsbuisoven gedurende ten minste 30 minuten met stikstof om zuurstof te verwijderen.

Voer daarnaast een lektest uit door alle verbindingen te besproeien met zeepsop. Carboriseer het silica-ingekapselde metaaloxidepoeder met een opwarmsnelheid van 2 °C per minuut tot 850 °C gedurende vier uur onder een stroom van 120 standard cubic centimeters per minute, of SCCM waterstof en 33 SCCM methaan om silica-ingekapselde metaalcarbiden te vormen. Stop na vier uur de toevoer van methaan en houd het poeder gedurende één uur op 850 °C in enkel 120 SCCM waterstof om overtollig oppervlaktekoolstof te verwijderen voor silica-dissolutie in ammoniumbifluoride voor zuurbestendige metaalcarbiden. Weeg 200 mg silica-ingekapselde metaalcarbiden af en plaats deze in een afsluitbare polypropyleencontainer van 30 ml met een magnetische roerkolf met Teflon-coating.

Indien men de nanodeeltjes wil ondersteunen op een katalysatordrager met een groot specifiek oppervlak, zoals koolstof, lampenzwart of koolstofnanobuisjes, weeg dan het materiaal af en voeg dit toe aan de afsluitbare polypropyleencontainer. Voeg vervolgens 20 milliliter ultrapuur gedeïoniseerd water toe en begin met mengen om een suspensie te vormen. Weeg vijf gram ammoniumbifluoride of NH₄HF₂ af en voeg dit toe aan het roerende mengsel.

Zodra de verzegeling is aangebracht, is de oplosbaarheid van A BF in water in de polypropyleencontainer endotherm, waardoor de temperatuur van de oplossing zal dalen om een volledige oplossing van de silica en een goede dispersie van de nanodeeltjes op de katalysatordrager te garanderen. Stop de reactie na 16 uur door druppelsgewijs ammoniumhydroxide van reagentgrade toe te voegen om de A BF-oplossing te neutraliseren tot een pH van zes tot zeven. Wees voorzichtig, aangezien deze reactie exotherm is; giet het geneutraliseerde mengsel in een centrifugebuis en centrifugeer gedurende 10 minuten bij 2056 ×g.

Hier worden representatieve transmissie-elektronenmicroscopiebeelden getoond van zowel meervoudig gecoate als enkelvoudig gecoate overgangsmetaaloxide-nanodeeltjes ingekapseld in silicashuizen. Hier tonen representatieve transmissie-elektronenmicroscopiebeelden in silica ingekapselde metaalkarbidenanodeeltjes na carbonisatie met verschillende grootteverdelingen van de metaalkarbidenanodeeltjes. Een representatief scanning transmissie-elektronenmicroscopiebeeld van niet-gecentreerde en metaal-getermineerde wolfraamcarbidenanodeeltjes gedispergeerd op een carbon black-drager na verwijdering van de silicashuizen wordt hier getoond.

Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe u niet-gecentreerde, met metaal getermineerde overgangsmetaalcarbide- en nitraat-nanodeeltjes kunt synthetiseren met behulp van een reverse micro-emulsion-gemedieerde siliciumcapsulatiebenadering.