Tutaj demonstrujemy unikalną, stosunkowo niskotemperaturową metodę syntezy stopionej soli do przygotowania jednorodnych nanocząstek hafniatu lantanu z tlenku metalu
.Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj demonstrujemy unikalną, stosunkowo niskotemperaturową metodę syntezy stopionej soli do przygotowania jednorodnych nanocząstek hafniatu lantanu z tlenku metalu
.Rozwój możliwych metod syntezy jest kluczowy dla pomyślnego zbadania nowych właściwości i potencjalnych zastosowań nanomateriałów. W tym miejscu przedstawiamy metodę syntezy stopionej soli (MSS) do wytwarzania nanomateriałów z tlenków metali. Zalety w porównaniu z innymi metodami to prostota, zieleń, niezawodność, skalowalność i możliwość uogólnienia. Używając tlenku hafnu pirochloru lantanu (La2Hf2O7) jako przedstawiciela, opisujemy protokół MSS do udanej syntezy złożonych nanocząstek tlenku metalu (NP). Co więcej, metoda ta ma unikalną zdolność do wytwarzania nanocząsteczek o różnych cechach materiałowych poprzez zmianę różnych parametrów syntezy, takich jak pH, temperatura, czas trwania i wyżarzanie. Dostrajając te parametry, jesteśmy w stanie zsyntetyzować wysoce jednorodne, nieaglomerowane i wysoce krystaliczne nanocząsteczki. Jako konkretny przykład, zmieniamy wielkość cząstek nanocząstek La2Hf2O7 poprzez zmianę stężenia roztworu wodorotlenku amonu stosowanego w procesie MSS, co pozwala nam dalej badać wpływ wielkości cząstek na różne właściwości. Oczekuje się, że w nadchodzących latach metoda MSS stanie się bardziej popularną metodą syntezy nanomateriałów i szerzej stosowana w społeczności nanonauki i nanotechnologii.
Synteza w stopionych solach (MSS) polega na wykorzystaniu stopionej soli jako medium reakcyjnego do otrzymywania nanomateriałów z ich prekursorów składowych. Stopiona sól pełni rolę rozpuszczalnika i wspomaga zwiększenie szybkości reakcji poprzez zwiększenie powierzchni styku między reagentami oraz ich mobilności. Wybór stopionych soli ma kluczowe znaczenie dla powodzenia metody MSS. Sól musi spełniać określone wymagania jakościowe, takie jak niska temperatura topnienia, kompatybilność z reagującymi gatunkami oraz optymalna rozpuszczalność w wodzie. Stopione sole były wcześniej stosowane w celu przyspieszenia reakcji w fazie stałej; jednak w systemach topnika stosuje się jedynie niewielką ilość stopionej soli (w przeciwieństwie do MSS, w której dodaje się dużą ilość soli w celu utworzenia rozpuszczalnego medium reakcyjnego i kontroli właściwości syntetyzowanych nanomateriałów, takich jak rozmiar cząstek, kształt i krystaliczność itp.). W tym sensie MSS jest modyfikacją metody metalurgii proszków i różni się od metody topnika1,2,3. Zastosowanie stopionej soli pozwala na (1) zwiększenie szybkości kinetyki reakcji4 przy jednoczesnym obniżeniu temperatury syntezy5, (2) zwiększenie stopnia homogeniczności reagentów6, (3) kontrolę rozmiaru i morfologii kryształów7 oraz (4) ograniczenie poziomu aglomeracji.
Nanomateriały cieszą się dużym popytem w badaniach naukowych i nowoczesnych zastosowaniach przemysłowych ze względu na swoje wyjątkowe właściwości elektryczne, chemiczne, magnetyczne, optyczne, elektroniczne i termiczne. Ich właściwości są w dużym stopniu zależne od rozmiaru, kształtu i krystaliczności cząstek. W porównaniu z innymi metodami syntezy nanomateriałów, MSS wykazuje kilka wyraźnych zalet, choć nie jest jeszcze tak powszechnie znana jak inne metody syntezy w środowisku nauki i nanotechnologii. Jak opisano poniżej, zalety te obejmują prostotę, niezawodność, skalowalność, uniwersalność, przyjazność dla środowiska, efektywność kosztową, stosunkowo niską temperaturę syntezy oraz brak aglomeracji NP z czystą powierzchnią8.
Prostota: proces MSS można łatwo przeprowadzić w zwykłym laboratorium z podstawowym wyposażeniem. Nie jest wymagana zaawansowana aparatura. Prekursory i sole stopione są stabilne w powietrzu, co eliminuje konieczność pracy w komorze rękawicowej.
Wiarygodność: Po optymalizacji wszystkich początkowych parametrów syntezy, takich jak stężenie, pH, czas procesu i temperatura wyżarzania, zastosowanie metody MSS gwarantuje otrzymanie produktów o wysokiej jakości i wysokiej czystości. Jeśli wszystkie etapy syntezy zostaną przeprowadzone prawidłowo, produkty końcowe mogą spełnić wszystkie podstawowe kryteria niezbędne dla wysokiej jakości NP. Osoba początkująca w metodzie MSS nie wpłynie na wynik syntezy, o ile wszystkie parametry syntezy będą przestrzegane w sposób prawidłowy i staranny.
Skalowalność: Zdolność metody MSS do wytwarzania dużych ilości cząstek o kontrolowanym rozmiarze i kształcie jest kluczowa. Ten krytyczny czynnik jest istotny, ponieważ pozwala na określenie użyteczności i wydajności przemysłowej. W porównaniu z innymi technikami syntezy, MSS umożliwia łatwe uzyskanie wystarczającej ilości produktów poprzez dostosowanie ilości stechiometrycznych w trakcie procesu. Jest to ważna cecha tej metody, ponieważ zapewnia wygodę na poziomie przemysłowym, co sprawia, że ze względu na tę skalowalność jest ona bardziej pożądanym podejściem9,10.
Uniwersalność: Metoda MSS jest również uniwersalną techniką otrzymywania nanocząstek o różnych składach. Poza prostymi tlenkami metali i niektórymi fluorkami, nanomateriały złożonych tlenków metali, które zostały z powodzeniem zsyntetyzowane metodą MSS, obejmują perowskity (ABO3)10,11,12,13,14, spinele (AB2O4)15,16, pirochlory (A2B2O7)4,17,18,19 oraz struktury ortorombiczne (A2B4O9)2,3,20. Bardziej szczegółowo, nanomateriały te obejmują ferryty, tytaniany, niobiany, mullit, boran glinu, wollastonit i apatyt węglanowy7,9,21. Metoda MSS była również stosowana do otrzymywania nanomateriałów o różnych morfologiach, takich jak nanokule4, ceramiczne proszki22, nanoflakes23, nanopłytki7, nanopręty24 oraz nanocząstki (NPs) typu rdzeń-powłoka25, w zależności od warunków syntezy i struktury krystalicznej produktów.
Przyjazność dla środowiska: Wiele tradycyjnych metod otrzymywania nanomateriałów wiąże się z użyciem dużych ilości rozpuszczalników organicznych i toksycznych substancji, które generują problemy środowiskowe. Częściowa lub całkowita eliminacja ich stosowania oraz ograniczanie powstawania odpadów poprzez procesy zrównoważone jest obecnie postulowane przez chemię zieloną8. Metoda MSS stanowi przyjazne dla środowiska podejście do syntezy nanomateriałów poprzez wykorzystanie nietoksycznych substancji chemicznych i materiałów odnawialnych oraz minimalizację ilości odpadów, produktów ubocznych i zużycia energii.
Stosunkowo niska temperatura syntezy: Temperatura przetwarzania w metodzie MSS jest stosunkowo niska w porównaniu z temperaturą wymaganą w konwencjonalnej reakcji w fazie stałej26 lub reakcji spalania sol-gel27. Niższa temperatura pozwala na oszczędność energii przy jednoczesnym otrzymywaniu wysokiej jakości NP.
Efektywność kosztowa: Metoda MSS nie wymaga stosowania agresywnych lub kosztownych reagentów ani rozpuszczalników, a także specjalistycznej aparatury. Głównym rozpuszczalnikiem używanym do wypłukiwania zużytych stopionych soli, które również są tanie, jest woda. Ponadto niezbędny zestaw eksperymentalny obejmuje jedynie proste szkło laboratoryjne oraz piec bez specjalistycznego oprzyrządowania, podczas gdy możliwe jest otrzymywanie nanomateriałów o złożonym składzie i charakterze ogniotrwałym.
Brak aglomeracji i czysta powierzchnia: Podczas procesu MSS utworzone nanocząstki są dobrze rozproszone w stopionym medium solnym ze względu na jego dużą ilość, wysoką siłę jonową oraz lepkość1,6,8. W przeciwieństwie do syntezy koloidalnej i większości procesów hydrotermalnych/solwotermalnych, nie jest wymagana ochronna warstwa powierzchniowa, aby zapobiec ciągłemu wzrostowi i aglomeracji utworzonych NP.
Przykładowa synteza złożonych nanocząstek tlenków metali metodą MSS: Metoda MSS, jako uniwersalne i kosztowo efektywne podejście do racjonalnej i wielkoskalowej syntezy nanomateriałów dla wystarczająco szerokiego spektrum materiałów, może być bardzo dobrze przyjęta przez naukowców pracujących w obszarze nanonauki i nanotechnologii. W niniejszym przypadku wybrano hafnan lantanu (La2Hf2O7) ze względu na jego wielofunkcyjne zastosowania w dziedzinach obrazowania rentgenowskiego, dielektryków o wysokiej przenikalności k, luminescencji, fosforów termograficznych, powłok barier termicznych oraz jako matrycy dla odpadów jądrowych. La2Hf2O7 jest również dobrym materiałem gospodarzem dla scyntylatorów domieszkowanych dzięki swojej wysokiej gęstości, dużej efektywnej liczbie atomowej oraz możliwości modyfikacji struktury krystalicznej wraz z przejściem fazowym typu porządek-nieporządek. Należy on do rodziny związków A2B2O7, w której „A” jest pierwiastkiem ziem rzadkich o stopniu utlenienia +3, a „B” reprezentuje metal przejściowy o stopniu utlenienia +4. Jednakże, ze względu na odporność ogniową i złożony skład chemiczny, brakowało odpowiednich niskotemperaturowych i wielkoskalowych metod syntezy nanocząstek La2Hf2O7.
W celu prowadzenia podstawowych badań naukowych oraz zaawansowanych zastosowań technologicznych niezbędne jest otrzymywanie monodyspersyjnych, wysokiej jakości i jednorodnych NP A2B2O7. W niniejszej pracy wykorzystujemy syntezę wysokokrystalicznych NP La2Hf2O7 jako przykład, aby zademonstrować zalety metody MSS. Jak pokazano schematycznie na Rysunku 1, NP La2Hf2O7 zostały przygotowane metodą MSS w procesie dwuetapowym, zgodnie z naszymi wcześniejszymi raportami. W pierwszym etapie, drogą współwytrącania, przygotowano kompleksowy prekursor jednorodny La(OH)3·HfO(OH)2·nH2O. W drugim etapie, w prostym procesie MSS, zsyntetyzowano NP La2Hf2O7 o kontrolowanym rozmiarze, wykorzystując kompleksowy prekursor jednorodny oraz mieszaninę azotanów (NaNO3:KNO3 = 1:1, stosunek molowy) w temperaturze 650 °C przez 6 h.

Rycina 1: Schemat etapów syntezy NP La2Hf2O7 metodą MSS. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie prekursora kompleksu z jednego źródła za pomocą ścieżki współwytrącania
2. Synteza stopionej soli nanocząsteczek hafnianu lantanu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Syntezowane nanocząstki (NPs) La2Hf2O7 mogą występować w uporządkowanej fazie pirochloru. Jednakże domieszkowanie chemiczne, ciśnienie i temperatura mogą przekształcić tę fazę w defektowy fluoryt. Jest możliwe, aby nasz materiał posiadał wiele faz; niemniej jednak, dla uproszczenia, skupiamy się tutaj wyłącznie na fazie pirochloru. Do systematycznej charakterystyki czystości fazowej, struktury i fazy wykorzystano dyfrakcję rentgenowską (XRD) oraz spektrosk...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wykres na Rysunku 4 przedstawia kilka wiarygodnych czynników kontrolujących metodę MSS i uwzględnia alternatywne ścieżki pozwalające na precyzyjne dostrojenie właściwości syntetyzowanych nanomateriałów. Ponadto pomaga on zidentyfikować krytyczne etapy procesu MSS.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nie ma żadnych konfliktów do zgłoszenia.
Autorzy dziękują za wsparcie finansowe udzielone przez National Science Foundation w ramach CHE (nagroda #1710160) oraz USDA National Institute of Food and Agriculture (nagroda #2015-38422-24059). Wydział Chemii Uniwersytetu Teksańskiego w Rio Grande Valley jest wdzięczny za hojne wsparcie udzielone przez grant wydziałowy Fundacji Roberta A. Welcha (grant nr 1). BX-0048). S.K.G. pragnie podziękować Stanom Zjednoczono-Indyjskim Fundacji Edukacyjnej (USIEF) oraz Instytutowi Edukacji Międzynarodowej (IIE) za stypendium podoktorskie Fulbrighta Nehru (nagroda #2268/FNPDR/2017).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Aceton, ACS, 99.5+% | Alfa Aesar | 67-64-1 | Suszone na sitach 4A |
| Dichlorek hafnu tlenek oktahydrat, 98+% (w przeliczeniu na metale z wyłączeniem Zr), Zr < 1,5% | Alfa Aesar | 14456-34-9 | Higroskopijny |
| sześciowodny azotan lantanu(III) | Aldrich | 10277-43-7 | Higroskopijny |
| azotan potasu, ReagentPlus R, ≥ 99,0% | Sigma-Aldrich | 7757-79-1 | Higroskopijny |
| azotan sodu, ReagentPlus R, ≥ 99,0% | Sigma-Aldrich | 7631-99-4 | |
| Wodorotlenek amonu, 28% NH3, NH4OH | Alfa Aesar | 1336-21-6 | |
| Bibuła filtracyjna, klasa P8 | Fisherbrand |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.