Home
JoVE Journal
Chemistry
Wpływ warunków syntezy mikrofalowej na strukturę nanoarkuszy wodorotlenku niklu

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Research Article

Wpływ warunków syntezy mikrofalowej na strukturę nanoarkuszy wodorotlenku niklu

DOI: 10.3791/65412

August 18, 2023

, , , ,

1Materials Science, Engineering, and Commercialization Program,Texas State University, 2Department of Chemistry and Biochemistry,Texas State University, 3Westlake Highschool

Cite Watch Download PDF Download Material list
AI Banner

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

In This Article

Summary Abstract Introduction Protocol Representative Results Discussion Disclosures Acknowledgements Materials References Reprints and Permissions

Summary

Nanoarkusze wodorotlenku niklu są syntetyzowane w reakcji hydrotermalnej wspomaganej mikrofalami. Protokół ten pokazuje, że temperatura i czas reakcji stosowane do syntezy mikrofalowej wpływają na wydajność reakcji, strukturę krystaliczną i lokalne środowisko koordynacyjne.

Abstract

Przedstawiono protokół szybkiej, wspomaganej mikrofalami syntezy hydrotermalnej nanoarkuszy wodorotlenku niklu w warunkach umiarkowanie kwaśnych, a także zbadano wpływ temperatury i czasu reakcji na strukturę materiału. We wszystkich badanych warunkach reakcji powstają agregaty warstwowych nanoarkuszy α-Ni(OH)2. Temperatura i czas reakcji silnie wpływają na strukturę materiału i wydajność produktu. Synteza α-Ni(OH)2 w wyższych temperaturach zwiększa wydajność reakcji, obniża odstępy międzywarstwowe, zwiększa rozmiar domeny krystalicznej, przesuwa częstotliwości międzywarstwowych modów drgań anionów i obniża średnicę porów. Dłuższe czasy reakcji zwiększają wydajność reakcji i skutkują podobnymi rozmiarami domen krystalicznych. Monitorowanie ciśnienia reakcji in situ pokazuje, że wyższe ciśnienia uzyskuje się przy wyższych temperaturach reakcji. Ta ścieżka syntezy wspomagana mikrofalami zapewnia szybki, wysokowydajny i skalowalny proces, który można zastosować do syntezy i produkcji różnych wodorotlenków metali przejściowych wykorzystywanych do licznych zastosowań związanych z magazynowaniem energii, katalizą, czujnikami i innymi zastosowaniami.

Introduction

Wodorotlenek niklu, Ni(OH)2, jest używany do wielu zastosowań, w tym do akumulatorów niklowo-cynkowych i niklowo-metalowo-wodorkowych1,2,3,4, ogniwa paliwowe4, elektrolizery wodne4,5,6,7,8,9, superkondensatory4, fotokatalizatory4, wymieniacze anionowe10, oraz wiele innych zastosowań analitycznych, elektrochemicznych i czujników4,5. Ni(OH)2 ma dwie dominujące struktury krystaliczne: β-Ni(OH)2 i α-Ni(OH)211. β-Ni(OH)2 przyjmuje strukturę krystaliczną Mg(OH)2 typu brucytowego, podczas gdy α-Ni(OH)2 jest turbostratycznie warstwową formą β-Ni(OH)2 interkalowaną z resztkowymi anionami i cząsteczkami wody z syntezy chemicznej4. W obrębie α-Ni(OH)2 interkalowane cząsteczki nie znajdują się w ustalonych pozycjach krystalograficznych, ale mają pewien stopień swobody orientacyjnej, a także działają jako klej międzywarstwowy stabilizujący warstwy Ni(OH)24,12. Aniony międzywarstwowe α-Ni(OH)2 wpływają na średni stopień utlenienia Ni13 i wpływają na wydajność elektrochemiczną α-Ni(OH)2 (w stosunku do β-Ni(OH)2) w kierunku akumulatora2,13,14,15, kondensator16 i zastosowania elektrolizy wodnej17,18.

Ni(OH)2 może być syntetyzowany przez chemiczne wytrącanie, elektrochemiczne wytrącanie, syntezę zol-żel lub syntezę hydrotermalną/solwotermiczną4. Szlaki wytrącania chemicznego i syntezy hydrotermalnej są szeroko wykorzystywane w produkcji Ni(OH)2, a różne warunki syntezy zmieniają morfologię, strukturę krystaliczną i wydajność elektrochemiczną. Chemiczne wytrącanie Ni(OH)2 polega na dodaniu wysoce zasadowego roztworu do wodnego roztworu soli niklu (II). Faza i krystaliczność osadu są określane przez temperaturę oraz tożsamość i stężenie użytej soli niklu (II) i roztworu zasadowego4.

Hydrotermalna synteza Ni(OH)2 polega na podgrzaniu wodnego roztworu soli prekursora niklu (II) w ciśnieniowej fiolce reakcyjnej, co pozwala na przebieg reakcji w wyższych temperaturach niż zwykle dozwolone pod ciśnieniem otoczenia4. Warunki reakcji hydrotermalnej zazwyczaj faworyzują β-Ni(OH)2, ale α-Ni(OH)2 można zsyntetyzować poprzez (i) użycie czynnika interkalacyjnego, (ii) użycie roztworu niewodnego (synteza solwotermiczna), (iii) obniżenie temperatury reakcji lub (iv) włączenie mocznika do reakcji, w wyniku czego powstaje α-Ni(OH)24. Hydrotermalna synteza Ni(OH)2 z soli niklu zachodzi w dwuetapowym procesie, który obejmuje reakcję hydrolizy (równanie 1), po której następuje reakcja kondensacji olacji (równanie 2). 19

[Ni(H2O)N]2+ + hH2O ↔ [Ni(OH)h(H2O) N-h](2-h)++ hH3O+ (1)

Ni-OH + Ni-OH2 Ni-OH-Ni + H2O (2)

Chemia mikrofalowa została wykorzystana do jednogarnkowej syntezy szerokiej gamy materiałów nanostrukturalnych i opiera się na zdolności określonej cząsteczki lub materiału do przekształcania energii mikrofalowej w ciepło20. W konwencjonalnych reakcjach hydrotermalnych reakcja jest inicjowana przez bezpośrednią absorpcję ciepła przez reaktor. W przeciwieństwie do tego, w reakcjach hydrotermalnych wspomaganych mikrofalami, mechanizmy ogrzewania to dipolarna polaryzacja rozpuszczalnika oscylującego w polu mikrofalowym i przewodnictwo jonowe generujące zlokalizowane tarcie molekularne20. Chemia mikrofalowa może zwiększyć kinetykę reakcji, selektywność i wydajność reakcji chemicznych20, co czyni ją bardzo interesującą dla skalowalnej, opłacalnej przemysłowo metody syntezy Ni(OH)2.

Dla katod baterii alkalicznych, faza α-Ni(OH)2 zapewnia lepszą zdolność elektrochemiczną w porównaniu z fazą β-Ni(OH)213, a metody syntezy α-Ni(OH)2 są szczególnie interesujące. α-Ni(OH)2 został zsyntetyzowany za pomocą różnych metod wspomaganych mikrofalami, które obejmują refluks wspomagany mikrofalami21,22, techniki hydrotermalne wspomagane mikrofalami23,24, oraz wspomagane mikrofalami wytrącanie katalizowane zasadą25. Włączenie mocznika do roztworu reakcyjnego znacząco wpływa na wydajność reakcji26, mechanism26,27, morfologia i struktura krystaliczna27. Stwierdzono, że rozkład mocznika wspomagany mikrofalami jest kluczowym składnikiem dla uzyskania α-Ni(OH)227. Wykazano, że zawartość wody w roztworze glikolu etylenowego i wody wpływa na morfologię syntezy nanoarkuszy α-Ni(OH)2 wspomaganej mikrofalami24. Stwierdzono, że wydajność reakcji α-Ni(OH)2, gdy jest syntetyzowana przez mikrofalową drogę hydrotermalną przy użyciu wodnego roztworu azotanu niklu i mocznika, zależy od pH roztworu26. Wcześniejsze badanie nanokwiatów α-Ni(OH)2 syntetyzowanych w mikrofalach przy użyciu roztworu prekursorowego EtOH/H2O, azotanu niklu i mocznika wykazało, że temperatura (w zakresie 80-120 °C) nie jest czynnikiem krytycznym, pod warunkiem, że reakcja jest prowadzona powyżej temperatury hydrolizy mocznika (60 °C)27. Niedawny artykuł, w którym badano syntezę mikrofalową Ni(OH)2 przy użyciu roztworu prekursora tetrahydratu octanu niklu, mocznika i wody, wykazał, że w temperaturze 150 °C materiał zawierał zarówno fazy α-Ni(OH)2, jak i β-Ni(OH)2, co wskazuje, że temperatura może być krytycznym parametrem w syntezie Ni(OH)228.

Synteza hydrotermalna wspomagana mikrofalami może być wykorzystana do wytworzenia α-Ni(OH)2 i α-Co(OH)2 o dużej powierzchni przy użyciu roztworu prekursora złożonego z azotanów metali i mocznika rozpuszczonych w roztworze glikolu etylenowego/H2 O12,29,30,31. Podstawione metalem materiały katodowe α-Ni(OH)2 do alkalicznych baterii Ni-Zn zostały zsyntetyzowane przy użyciu syntezy o zwiększonej skali zaprojektowanej dla wielkoformatowego reaktora mikrofalowego12. Zsyntetyzowany w mikrofalach α-Ni(OH)2 został również wykorzystany jako prekursor do otrzymywania nanoarkuszy β-Ni(OH)212, nanoramek niklowo-irydowych do elektrokatalizatorów reakcji wydzielania tlenu (OER)29, oraz dwufunkcyjnych elektrokatalizatorów tlenowych do ogniw paliwowych i elektrolizerów wodnych30. Ta ścieżka reakcji mikrofalowej została również zmodyfikowana w celu syntezy Co(OH)2 jako prekursora nanoramek kobaltowo-irydowych dla kwaśnych elektrokatalizatorów OZE31 i dwufunkcyjnych elektrokatalizatorów30. Synteza wspomagana mikrofalami została również wykorzystana do wytworzenia nanoarkuszy α-Ni(OH)2 podstawionych Fe, a stosunek podstawienia Fe zmienia strukturę i namagnesowanie32. Jednak procedura krok po kroku syntezy mikrofalowej α-Ni(OH)2 oraz ocena, w jaki sposób zmienny czas reakcji i temperatura w roztworze glikolu wodno-etylenowego wpływają na strukturę krystaliczną, powierzchnię i porowatość oraz lokalne środowisko anionów międzywarstwowych w materiale, nie zostały wcześniej zgłoszone.

Ten protokół ustanawia procedury wysokoprzepustowej syntezy mikrofalowej nanoarkuszy α-Ni(OH)2 przy użyciu szybkiej i skalowalnej techniki. Wpływ temperatury i czasu reakcji zróżnicowano i oceniono za pomocą monitorowania reakcji in situ, skaningowej mikroskopii elektronowej, spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii, porozymetrii azotu, dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego w proszku (XRD) i spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera, aby zrozumieć wpływ zmiennych syntetycznych na wydajność reakcji, morfologię, strukturę krystaliczną, wielkość porów i lokalne środowisko koordynacyjne nanoarkuszy α-Ni(OH)2.

Protocol

UWAGA: Schematyczny przegląd procesu syntezy mikrofalowej jest przedstawiony w Rysunek 1.

1. Mikrofalowa synteza nanoarkuszy α-Ni(OH)2

  1. Przygotowanie roztworu prekursora
    1. Przygotować roztwór prekursora, mieszając 15 ml ultraczystej wody (≥18 MΩ-cm) i 105 ml glikolu etylenowego. Dodać 5,0 g Ni(NO3)2 · 6 H2O i 4,1 g mocznika do roztworu i przykryć.
    2. Umieść roztwór prekursora w sonikatorze wypełnionym lodem i wodą (częstotliwość 40 kHz) i sonikuj z pełną mocą (bez impulsu) przez 30 minut.
  2. Reakcja mikrofalowa roztworu prekursora
    1. Przenieść 20 ml roztworu prekursora do fiolki do reakcji mikrofalowej z mieszadłem z politetrafluoroetylenu (PTFE) i uszczelnić naczynie reakcyjne pokrywką zamykającą z wkładką z PTFE.
    2. Zaprogramować reaktor mikrofalowy tak, aby nagrzewał się do temperatury reakcji przy użyciu ustawienia tak szybko, jak to możliwe (do 120 lub 180 °C) i utrzymywał tę temperaturę przez 13-30 min.
      UWAGA: Podgrzewanie tak szybkie, jak to możliwe, to ustawienie kuchenki mikrofalowej, które stosuje maksymalną moc mikrofal, aż do osiągnięcia żądanej temperatury; Następnie zastosuj zmienną moc, aby utrzymać temperaturę reakcji.
    3. Po zakończeniu reakcji odpowietrzyć komorę reakcyjną sprężonym powietrzem, aż temperatura roztworu osiągnie 55 °C. Każdy etap reakcji (ogrzewanie, utrzymywanie i chłodzenie) odbywa się przy mieszaniu magnetycznym przy 600 obr./min.
  3. Odwirowanie i przemycie osadu reakcji mikrofalowej.
    1. Przenieść roztwór poreakcyjny do probówek wirówkowych o pojemności 50 ml. Odwirować roztwór poreakcyjny przy 6 000 obr./min/6 198 rcf przez 4 minuty w temperaturze pokojowej, a następnie zdekantować supernatant.
    2. Dodaj 25 ml ultraczystej wody, aby ponownie zawiesić nanoarkusze. Odwirować w tych samych warunkach, a następnie zdekantować supernatant.
    3. Powtórz etapy mycia, wirowania i dekantacji w sumie pięć razy przy użyciu wody, a następnie trzy razy przy użyciu etanolu.
      UWAGA: Alkohol izopropylowy może być również stosowany zamiast etanolu.
  4. Pomiar pH przed i po reakcji mikrofalowej
    1. Zmierzyć pH roztworu prekursora przed rozpoczęciem reakcji mikrofalowej i zmierzyć pH supernatantu natychmiast po pierwszym odwirowaniu.
  5. Suszenie próbki
    1. Przykryj probówki wirówkowe chusteczką higieniczną lub ręcznikiem papierowym, aby działały jak porowata osłona w celu zmniejszenia potencjalnego zanieczyszczenia, a następnie wysusz je w piecu do pobierania próbek w temperaturze 70 °C przez 21 godzin w atmosferze otoczenia.
      UWAGA: Czas i warunki suszenia mogą mieć wpływ na względną intensywność i wartości 2θ° pików (XRD), zgodnie z opisem w Reprezentatywnych wynikach.

2. Charakterystyka i analiza materiału

  1. Charakterystyka morfologii i składu za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDS)
    1. Przygotować próbki do analizy SEM i EDS, zawieszając niewielką ilość proszku Ni(OH)2 w 1 ml etanolu za pomocą sonikatora w łaźni wodnej.
    2. Odlewać kroplowo mieszaninę Ni(OH)2/etanol na króciec SEM i odparować etanol, umieszczając króciec SEM w piecu do pobierania próbek w temperaturze 70 °C.
    3. Zbieraj mikrofotografie SEM i widma EDS. Zbieraj obrazy SEM za pomocą napięcia przyspieszającego 10 kV i prądu 0,34 nA przy powiększeniach 6,5 kX, 25 kX i 100 kX. Zbieraj widma EDS w wybranych obszarach za pomocą napięcia przyspieszającego 10 kV, prądu 1,4 nA i powiększenia 25 kX.
  2. Analiza pola powierzchni i porowatości za pomocą porozymetrii fizysorpcji azotu
    1. Przygotować próbki do analizy, dodając 25 mg Ni(OH)2 do probówki z próbką. Przed analizą przeprowadzić procedurę odgazowywania i suszenia przed analizą w próżni w temperaturze 120 °C przez 16 godzin.
    2. Przenieść probówkę z próbką z portu odgazowywania do portu analitycznego w celu zebrania izoterm azotu (N2).
    3. Przeanalizuj dane izotermyN2 za pomocą analizy Brunauera-Emmetta-Tellera (BET) w celu określenia powierzchni właściwej. Wykonaj analizę BET zgodnie z metodologią Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC)33. Konkretny pakiet oprogramowania analitycznego używany do przeprowadzania analizy BET jest zawarty w Tabeli Materiałów.
    4. Przeanalizuj gałąź desorpcji izotermy za pomocą metody Barretta-Joynera-Halendy (BJH), aby uzyskać objętość porów, średnicę porów i rozkład wielkości porów. Wykonaj analizę BJH zgodnie z metodologiami IUPAC. 33 Konkretny pakiet oprogramowania analitycznego używany do przeprowadzania analizy BJH jest zawarty w Tabeli Materiałów.
  3. Analiza strukturalna z wykorzystaniem dyfrakcji rentgenowskiej proszku (XRD)
    1. Napełnij studzienkę próbki w uchwycie XRD do proszku o zerowym tle Ni(OH)2, upewniając się, że powierzchnia proszku jest płaska.
    2. Zbierz dyfraktogramy rentgenowskie w proszku za pomocą źródła promieniowania CuKα w zakresie od 5° do 80° 2θ z dokładnością do 0,01 kroku.
    3. Przeanalizuj odstępy d za pomocą prawa Bragga,
      nλ = 2d sinθ,
      gdzie n jest liczbą całkowitą, λ jest długością fali promieni rentgenowskich, d jest odstępem d, a θ jest kątem między promieniami padającymi a próbką.
    4. Przeanalizuj rozmiar domeny krystalitowej, D, używając równania Scherrera,
      Równanie 1
      gdzie Ks jest stałą Scherrera (do analizy użyto stałej Scherrera 0,92), λ jest długością fali promieniowania rentgenowskiego, β2θ jest całkowitą szerokością piku dyfrakcyjnego, a θ jest kątem Bragga (w radianach). Na potrzeby analizy β2θ przyjęto jako pełną szerokość przy połowie maksimum (fwhm) i pomnożono przez stałą 0,939434.
  4. Charakterystyka materiału za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera o całkowitym współczynniku odbicia (ATR-FTIR)
    1. Wyposażyć w nasadkę ATR (Atr) z tłumionym całkowitym współczynnikiem odbicia do spektrometru podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR).
    2. Wciśnij niewielką ilość proszku Ni(OH)2 między dwa szklane szkiełka, aby uzyskać mały granulek.
    3. Umieść osad Ni(OH)2 na krzemowym krysztale ATR i uzyskaj widmo FTIR między 400 a 4,000 cm-1. Widma w podczerwieni reprezentują średnią z 16 pojedynczych skanów z rozdzielczością 4 cm-1.

Representative Results

Wpływ temperatury i czasu reakcji na syntezę α-Ni(OH)2
Przed reakcją roztwór prekursora [Ni(NO3)2 · 6 H2O, mocznik, glikol etylenowy i woda] ma przezroczysty zielony kolor o pH 4,41 ± 0,10 (Rysunek 2A i tabela 1). Temperatura reakcji mikrofalowej (120 °C lub 180 °C) wpływa na ciśnienie reakcji in situ i kolor roztworu (Rysunek 2B-G i Rysunek 3). W przypadku reakcji w temperaturze 120 °C promieniowanie mikrofalowe podgrzewa roztwór prekursora do temperatury 120 °C w czasie krótszym niż 1 min 30 s. Reaktor mikrofalowy utrzymuje temperaturę 120 °C przez 13 do 30 minut przy zmiennej mocy mikrofal, a następnie naczynie potrzebuje 3 minut na schłodzenie do 55 °C (Rysunek 3A). Po przyłożeniu temperatury reakcja 120 °C wytwarza umiarkowane ciśnienie, osiągając maksymalne ciśnienie reakcji 9-11,5 psi. pH roztworu wzrasta z 4,41 ± 0,10 do 6,75 ± 0,04 po 13 minutach w temperaturze 120 °C i wzrasta do 7,03 ± 0,04 po 30 minutach w temperaturze 120 °C. Wirowanie oddziela wytrącony proszek od zielonego supernatantu (Rysunek 2B-F). W wyniku późniejszego mycia i suszenia otrzymuje się zielony proszek (Rysunek 2H) o wydajności 62 ± 12 mg dla 13 minut czasu reakcji i wydajności 131 ± 24 mg dla 30 minut czasu reakcji w temperaturze 120 °C (Tabela 1).

Zwiększenie temperatury reakcji ze 120 °C do 180 °C powoduje znaczną akumulację ciśnienia (Rysunek 3A vs. 3B), zmiany koloru supernatantu po reakcji (Rysunek 2B vs. 2D i 2E vs. 2G), oraz zwiększa wydajność reakcji w stosunku do reakcji 120 °C zarówno przy 13, jak i 30 minutowym czasie reakcji (Tabela 1). Przy temperaturze reakcji 180 °C reakcja osiąga maksymalne ciśnienie reakcji 138 psi, co zbiega się z zakończeniem reakcji (Rysunek 3A). Aby określić względny udział różnych składników w ciśnieniu, porównuje się ciśnienie wytworzone przy użyciu oryginalnego roztworu prekursora z ciśnieniem wytworzonym przy użyciu roztworu wody, glikolu etylenowego i mocznika oraz roztworu wody i glikolu etylenowego (rysunek uzupełniający 1). Z porównania ciśnienia wytwarzanego z każdego roztworu przy zastosowaniu temperatury reakcji 180 °C (rysunek uzupełniający 1) wynika, że roztwory zawierające mocznik powodują wyższe ciśnienia. Roztwór wody i glikolu etylenowego zapewnia stałe 50 psi podczas całej reakcji; roztwór wody, glikolu etylenowego i mocznika ma podobny profil ciśnienia jak roztwór azotanu niklu, wody, glikolu etylenowego i mocznika (widoczny na czerwono i niebiesko na rysunku uzupełniającym 1). Dodatkowe ciśnienie wytworzone w temperaturze 180 °C w roztworach zawierających mocznik przypisuje się rozkładowi mocznika27 na COw fazie gazowej 2 i NH3 (jak omówiono w następnym rozdziale), przy czym faza gazowaH2O przyczynia się do ogólnego ciśnienia.

W przeciwieństwie do zielonego supernatantu po reakcji mikrofalowej 120 °C (Rysunek 2E,F), supernatant otrzymany po reakcji 180 °C jest niebieski (Rysunek 2G). Zdjęcia in situ reakcji pokazują niebieskie zabarwienie po ochłodzeniu reakcji (Rysunek 3C), a roztwór ulega stopniowej zmianie koloru między końcem ogrzewania mikrofalowego (ramka #2 w Rysunek 3B) a końcem etapu chłodzenia (ramka #3 w Rysunek 3B). Przed indukowanym mikrofalami podgrzaniem roztworu do temperatury 180 °C, sól niklu nadaje mu przezroczysty zielony kolor (Rysunek 3C, odpowiadający blokowi #1 w Rysunek 3B). Roztwór jest mętny, bladozielony, gdy reakcja się kończy (Rysunek 3C, pole blokowe #2 w Rysunek 3B), ale gdy reakcja jest schładzana, a ciśnienie spada, roztwór zmienia kolor z mętnego zielonego na niebieski (Rysunek 3C, blok #3 w Rysunek 3B). Supernatant reakcji 180 °C ma pH 8,91 ± 0,03, które jest znacznie wyższe w stosunku do supernatantu o temperaturze 120 °C (pH 6,75 ± 0,04 przez 13 minut czasu reakcji), a wyższe pH może być związane z wyższymi poziomami rozkładu mocznika. Odwirowanie, przemycie i suszenie reakcji w temperaturze 180 °C przez 13 minut daje zielony proszek (nie zaobserwowano śladów niebieskiego koloru w proszku) o wydajności 202 ± 4 mg, która jest znacznie wyższa niż wydajność reakcji w temperaturze 120 °C (tabela 1).

Wpływ czasu reakcji i temperatury na morfologię, skład i porowatość α-Ni(OH)2
Skaningowe mikrografie elektronowe (SEM) ujawniają, że zsyntetyzowane materiały Ni(OH)2 składają się z agregatów (o średnicy ~1-5 μm) ultracienkich nanoarkuszy, które są losowo splecione (Rysunek 4). Z obrazów SEM wynika, że temperatura reakcji wpływa na względny kierunkowy wzrost poszczególnych nanoarkuszy w całym agregacie. Dla reakcji w temperaturze 180 °C (Rysunek 4D-F), pojedynczy nanoarkusz w agregacie wydaje się mieć dłuższe wymiary boczne arkuszy w stosunku do tych z reakcji 120 °C (Rysunek 4A-C i 4G-L). Porównanie obrazów SEM materiałów syntetyzowanych przez 13 min w temperaturze 120 °C (Rysunek 4A) do 30 min w temperaturze 120 °C (Rysunek 4G) pokazuje, że zwiększenie czasu reakcji z 13 do 30 min w temperaturze 120 °C zwiększa rozmiar jądrzastych agregatów nanostrukturalnych z ~3 μm do ~5 μm. Obrazowanie podobnych materiałów za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej w wysokiej rozdzielczości wykazało, że nanoarkusze składają się z wielu krystalitów, a nie z nanoarkusza będącego pojedynczym kryształem32. Analiza materiałów wytworzonych z wariantu tej ścieżki syntezy wykazała również, że nanoarkusze mają grubość 2-12 nm i składają się ze zorganizowanych stosów pojedynczych (001) warstw12.

Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii (EDS) pokazuje równomierny rozkład niklu, tlenu, węgla i azotu we wszystkich zsyntetyzowanych materiałach nanoarkuszowych (Rysunek 5). Węgiel i azot włączone do struktury powstają z pozostałości związków z prekursorów reakcji (np. azotanów, mocznika i glikolu etylenowego) oraz pochodnych4,12,35, a obecność tych związków w strukturze jest poparta analizą FTIR, jak opisano poniżej.

Z analizy fizyki azotu, zsyntetyzowane mikrofalowo nanoarkusze Ni(OH)2 mają powierzchnię BET w zakresie od 61-85 m2·g-1, średnią objętość porów 21-35 A i skumulowaną objętość porów 0,426-0,630 cm3·g-1 (Tabela 1). Korzystając z nomenklatury IUPAC dla typu izotermy i szerokości porów33, wszystkie materiały wykonane przy użyciu tego protokołu wykazują izotermy typu IV, a wykresy rozkładu wielkości porów pokazują, że większość wolnej objętości znajduje się w zakresach mezoporów (szerokość porów 2-50 nm) i makroporów (szerokość porów >50 nm) (rysunek uzupełniający 2). Z tych pomiarów wynika, że powierzchnie materiałów przygotowanych w różnych temperaturach i czasach reakcji mieszczą się w granicach błędu doświadczalnego. Materiał syntetyzowany w temperaturze 180 °C przez 13 minut ma mniejszą średnicę porów i objętość porów niż materiał syntetyzowany w temperaturze 120 °C przez 13 minut, co wskazuje, że temperatura reakcji wpływa na porowatość materiału.

Wpływ czasu reakcji i temperatury na strukturę α-Ni(OH)2
Wzorce XRD wszystkich trzech próbek syntetyzowanych w mikrofalach wykazują charakterystyczne piki α-Ni(OH)2. W zakresie 11-12°, 23-24°, 33°, 36° i 59° 2θ obserwuje się kilka pików dyfrakcyjnych, odpowiadających płaszczyznom (001), (002), (110), (111) i (300) odpowiednio α-Ni(OH)2 (Rysunek 6A)12. Pozycje pików zaobserwowane na dyfraktogramie rentgenowskim materiału zsyntetyzowanego w temperaturze 120 °C przez 13 minut odpowiadają położeniom uwodnionej struktury α-Ni(OH)2 (karta ICDD nr 00-038-0715). W przypadku reakcji w temperaturze 120 °C, gdy czas syntezy wydłuża się z 13 do 30 minut, położenie odbicia (001) przesuwa się na niższą wartość 2θ (Rysunek 6B), zwiększając wysokość galerii międzywarstwowej z 7,85 do 7,94 A. Wydłużenie czasu syntezy z 13 do 30 min w temperaturze 120 °C nie wpływa znacząco na wielkość domeny krystalicznej w kierunkach (001) lub (110) poza błędem eksperymentalnym (wyniki podsumowane w tabeli 2).

Oprócz wpływu czasu reakcji, zwiększenie temperatury reakcji mikrofalowej ze 120 °C do 180 °C również wywołuje zmiany w strukturze krystalicznej α-Ni(OH)2. W podwyższonych temperaturach płaszczyzna dyfrakcyjna (001) przesuwa się do wyższej wartości 2θ (Rysunek 6B), skracając wysokość galerii międzywarstwowej z 7,85 do 7,36 A i powodując węższy (002) pik, wskazując na wyższy stopień uporządkowania w obszarze międzywarstwowym (Rysunek 6A). Płaszczyzna dyfrakcyjna (001) α-Ni(OH)2 syntetyzowanej w temperaturze 180 °C występuje w położeniu pomiędzy uwodnionym α-Ni(OH)2 (karta ICDD nr 00-038-0715) a nitrowanym α-Ni(OH)2 (karta ICDD nr 00-022-0752), a zatem struktura jest zgodna z uwodnionym/nitrowanym α-Ni(OH)2 (Rysunek 6B). Ponieważ wcześniejsze prace wskazują, że pozycja piku (001) odbić w α-Ni(OH)2 jest zależna od warunków suszenia36, te same warunki suszenia (70 °C, 21 h, atmosfera otoczenia) zastosowano do próbek, aby uniknąć potencjalnego wpływu warunków suszenia na pozycję piku (001). Dla porównania oceniono również wpływ innych warunków suszenia. Warunki suszenia trwające 16 godzin w atmosferze otoczenia lub próżni spowodowały (001) odstępy d w granicach błędu doświadczalnego naszych standardowych warunków suszenia wynoszącego 70 °C przez 21 godzin w atmosferze otoczenia (rysunek uzupełniający 3B). Stosowanie dłuższego czasu suszenia wynoszącego 24 godziny w atmosferze otoczenia powoduje (001) odstępy d, które są nieco poza błędem eksperymentalnym; jednakże przesunięcia w odstępach d odbicia (001) wynikające z zastosowania różnych warunków reakcji (tabela 2) wykraczają poza błąd doświadczalny różnych warunków suszenia (rysunek uzupełniający 3B).

Morfologia nanoarkuszy powoduje znaczne różnice w rozmiarach domen krystalicznych złożonych z płaszczyzn (001) i (110), które są płaszczyznami ortogonalnymi w strukturze krystalicznej α-Ni(OH)2 (Rysunek 6C). Płaszczyzny (001) powstają w wyniku uporządkowania warstw Ni(OH)2, podczas gdy płaszczyzny (110) wynikają z uporządkowania atomów w płaszczyźnie nanoarkusza. Dla materiału α-Ni(OH)2 syntetyzowanego w temperaturze 120 °C, rozmiary domen krystalitycznych 4,5 nm (001) i 12,9 nm (110) są zgodne z obrazami SEM, które pokazują większe wymiary boczne arkuszy w stosunku do grubości arkuszy (Rysunek 4). Porównując α-Ni(OH)2 syntetyzowany w temperaturze 120 °C i 180 °C przez 13 minut, materiał syntetyzowany w temperaturze 180 °C ma większe rozmiary domen 6,6 nm (001) i 15,2 nm (110) w stosunku do wartości uzyskanych w temperaturze 120 °C (tabela 2), co jest zgodne z mikroskopią SEM, która pokazuje większe i bardziej płaskie nanoarkusze w agregacji w stosunku do materiałów o temperaturze 120 °C (Rysunek 4). Materiał zsyntetyzowany w wyższej temperaturze ma większy rozmiar domeny, co jest zgodne z mniejszą średnicą porów i objętością porów z analizy fizykozorpcji azotu (tabela 1).

Widma ATR-FTIR nanoarkuszy syntetyzowanych w mikrofalach w obszarze 400-4,000 cm-1 (Rysunek 7A i Tabela 2) pokazują tryb sieci Ni-O35 między 400-800 cm-1, mody z ligandów i cząsteczek strukturalnych35 między 800-2,000 cm-1, pasma cyjanianowe31 między 2,000 a 2,500 cm-1, oraz tryby sieci α-OH35 między 3,500 a 3,800 cm-1. Na rysunkach uzupełniających znajdują się rozszerzone obszary modów sieci Ni-O (rysunek uzupełniający 4A), modów cyjanianowych (rysunek uzupełniający 4B) oraz modów sieci α-OH (rysunek uzupełniający 4C). Eksperymentalne liczby falowe dla materiałów przygotowanych w różnych warunkach reakcji i przypisania pików z wcześniejszych badań znajdują się w tabeli uzupełniającej 1. W obrębie znakowanych regionami ligandów i cząsteczek strukturalnych widm FTIR (Rysunek 6B), wszystkie próbki wykazują dwa odrębne tryby drgań azotanów, związany azotan, ν3 (NO3-) i wolny azotan, ν3 (wolny NO3-), co jest wspólne dla α-Ni(OH)2 syntetyzowanych z roztworów azotanów niklu12,35. Wszystkie trzy próbki pokazują tryby rozciągania wibracyjnego wynikające z cyjanianów pochodzących z mocznika, νs(C-O-CN)/νs(OCN-)12,31 i tryby zginania z wolnej wody, δs(H-O-H)35. Tryb ν(C-O) jest przypisywany węglanom w materiale α-Ni(OH)231. Wydłużenie czasu reakcji z 13 min do 30 min w temperaturze 120 °C powoduje zmniejszenie względnej intensywności trybu ν(C-O), co potwierdza, że dłuższe czasy reakcji wpływają na wprowadzanie węglanów do materiału, wpływając na obszar międzywarstwowy4.

Zwiększenie temperatury reakcji ze 120 °C do 180 °C zmienia częstotliwość i względną intensywność modów wibracji cyjanianu, azotanu, hydroksylu i wody (Rysunek 7B). Porównując materiały w temperaturze 120 °C i 180 °C przez 13 minut, przy wyższej temperaturze reakcji 180 °C, częstotliwość trybu δ(α-OH) przesuwa się na wyższą liczbę falową (obszar podświetlony na zielono klasy Rysunek 7B), wskazując na zmianę lokalnego środowiska energii potencjalnej -OH skoordynowanego z centrum Ni. Temperatura reakcji zmienia również względną intensywność trybów cyjanianu, azotanu i wolnej wody. Porównanie widm próbek podgrzanych do temperatury 180 °C i 120 °C pokazuje, że w odniesieniu do trybu ν3(NO3-) (szaro podświetlony obszar klasy Rysunek 7B), intensywności trybu ν(C-O-CN) (czerwona wstawka Rysunek 7B) i trybu δ(H-O-H, swobodny) (niebieska wstawka Rysunek 7B) są niższe w materiale o temperaturze 180 °C w porównaniu z materiałem o temperaturze 120 °C. Ponadto względna intensywność modów azotanowych, ν3 (NO3-) i ν3 (NO3-, swobodna), w porównaniu z trybem δ (H-O-H, swobodna) jest wyższa w podwyższonych temperaturach reakcji. Wzrost względnej intensywności modów azotanowych w porównaniu z trybem δ(H-O-H, swobodny) w podwyższonych temperaturach reakcji potwierdza analizę XRD, zgodnie z którą wzrost temperatury reakcji od 120 do 180 °C powoduje, że materiał jest wyrażany jako uwodniony azotowany α-Ni(OH)2. Kształt piku trybu cyjanianowego, który występuje między 2000 a 2500 cm-1, również zmienia się wraz ze wzrostem temperatury reakcji (rysunek uzupełniający 4B), gdzie wydaje się, że w próbkach znajdują się dwa pasma. W obszarze trybu cyjanianowego próbka podgrzana do temperatury 180 °C ma inną względną intensywność piku o wyższej częstotliwości w porównaniu z intensywnością w próbkach o temperaturze 120 °C.

Obserwowane zmiany częstotliwości i względnej intensywności wskazują na zmianę temperatury i czasu reakcji w lokalnym środowisku energii potencjalnej tych ugrupowań, a dodatkowa analiza jest potrzebna do dalszego ustalenia korelacji częstotliwości-struktury tych modów drgań w tych materiałach.

Rysunek 1
Rysunek 1: Schematyczne przedstawienie syntezy nanoarkuszy α-Ni(OH)2. W procesie wykorzystano 20 ml podwielokrotności roztworu podstawowego (Ni(NO)3 · 6H2O, mocznik, glikol etylenowy iH2O) podgrzanych w kuchence mikrofalowej w zmiennych czasach reakcji (13 lub 30 min) i temperaturach (120 lub 180 °C), w wyniku czego powstały nanoarkusze α-Ni(OH)2. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2
Rysunek 2: Zdjęcia mikrofalowego roztworu reakcyjnego składającego się z azotanu niklu, mocznika, glikolu etylenowego i wody. (A) Przed promieniowaniem mikrofalowym; po promieniowaniu mikrofalowym przez (B) 13 min w temperaturze 120 °C, (C) 30 min w temperaturze 120 °C i (D) 13 min w temperaturze 180 °C. Zdjęcia próbek po pierwszym odwirowaniu [które oddziela Ni(OH)2 od nieprzereagowanego azotanu niklu, mocznika, glikolu etylenowego i wody]: (E) 13 min w temperaturze 120 °C, (F) 30 min w temperaturze 120 °C, oraz (G) 13 min w temperaturze 180 °C. (H) Umyte i wysuszone proszki materiałów zsyntetyzowane przy użyciu 13 min w temperaturze 120 °C, 30 min w temperaturze 120 °C i 13 min w temperaturze 180 °C. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3
Rysunek 3: Profile czasu, temperatury i ciśnienia reakcji mikrofalowych roztworów składających się z azotanu niklu, mocznika, glikolu etylenowego i wody. Wpływ czasu reakcji na ciśnienie mikrofal zsyntetyzowanego Ni(OH)2 w temperaturze (A) 120 °C przez 13 i 30 minut oraz (B) 180 °C przez 13 minut. (C) Fotografie reakcji in situ reakcji w temperaturze 180 °C. Różowe wstawki 1-3 w (B) odpowiadają fotografiom reakcji in situ reakcji w (C). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4
Rysunek 4: Skaningowe mikrofotografie elektronowe nanoarkuszy α-Ni(OH)2 syntetyzowanych w mikrofalach przy różnych powiększeniach. (A-C) 13 min w 120 °C, (D-F) 13 minut w 180 °C, i (G-L) 30 minut w 120 °C. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5
Rysunek 5: Spektroskopowe mapowanie pierwiastków niklu (Ni), tlenu (O), węgla (C) i azotu (N) w nanoarkuszach α-Ni(OH)2 syntetyzowanych w mikrofalach. (A-E) 13 min w 120 °C, (F-J) 13 min w 180 °C, i (K-O) 30 minut w 120 °C. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6
Rysunek 6: Wzór dyfrakcji rentgenowskiej z mikrofalowo syntetyzowanych nanoarkuszy α-Ni(OH)2 przygotowanych w różnych warunkach reakcji (13 min w 120 °C, 13 min w 180°C i 30 min w 120 °C). (A) Wzór XRD w proszku między 5°-80° 2 regiony. (B) Rozszerzony obszar dyfraktogramu w obszarach 10-14° 2 pokazujący płaszczyznę (001) α-Ni(OH)2. (C) Porównanie modelowej struktury krystalicznej α-Ni(OH)2 z nanoarkuszami α-Ni(OH)2 syntetyzowanymi w mikrofalach, stworzonymi przy użyciu oprogramowania do struktury krystalicznej37. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7
Rysunek 7: Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (ATR-FTIR) o spektroskopii mikrofalowej synte α tyzowanych w mikrofalach. Nanoarkusze przygotowano w różnych warunkach reakcji (13 min w 120 °C, 13 min w 180 °C i 30 min w 120 °C) i przeanalizowano za pomocą ATR-FTIR w obszarze (A) 400-4000 cm-1 i (B) rozszerzonym widoku w obszarze 800-2000 cm-1; Są wyświetlane przypisania szczytów, a szczegóły przypisań szczytów są podane w tekście. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Warunki reakcji Skład pierwiastkowy określony przez EDS Fizsynorpcja azotu
Temperatura reakcji (°C) Czas reakcji (minuty) pH przed reakcją pH po reakcji Wydajność (mg) Atomowy % Ni Atomowy % O BET Powierzchnia (m2 • g-1) Średnica porów (Å) Objętość porów (cm3 • g-1)
120 °C 13 4,41 ± 0,10 6,75 ± 0,04 62 ± 12 21 ± 2 68 ± 4 79 ± 19 35 ± 6 0,630 ± 0,093
180 °C 13 4,41 ± 0,10 8,91 ± 0,03 202 ± 4 21 ± 1 67 ± 4 85 ± 10 21 ± 2 0,497 ± 0,085
120 °C Rozdział 30 4,41 ± 0,10 7,03 ± 0,04 131 ± 24 16 ± 4 67 ± 4 61 ± 21 21 ± 14 0,426 ± 0,115

Tabela 1: Charakterystyka fizykochemiczna Ni(OH)2 syntetyzowanego w mikrofalówce2. Charakterystyki mierzono w różnych temperaturach (120 °C i 180 °C) i czasach reakcji (13 min i 30 min); pH, wydajność, skład pierwiastkowy z dyspersji energii spektroskopii rentgenowskiej (EDS) i dane porozymetryczne azotu; Szczegóły znajdują się w tekście.

TGL SZT. SZT. szt. szt. TGL szt. szt. TGL
Warunki reakcji mikrofalowej Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego Spektroskopia w podczerwieni
(001) d-odstępy (Å) Rozmiar domeny Crystallite (nm) Liczba falowa (cm-1)
ν(Ni-O) δ(α-OH) ν3(NIE3-) νs(OCN-)
13 min w 120 °C 7,85 ± 0,17 4,5 ± 1,1 12,9 ± 1,3 Okręg wyborczy 617148712892183
13 min w 180 °C 7,36 ± 0,03 6,6 ± 0,5 15,2 ± 0,6 620Rok 1493 Rok 1291 Numer katalogowy 2207
30 min w 120 °C 7,94 ± 0,02 5,2 ± 0,6 12,0 ± 1,7 620Rok 1498 1294Numer katalogowy 2197

Tabela 2: Analiza strukturalna nanoarkuszy α-Ni(OH)2 syntetyzowanych w mikrofalach. Analiza strukturalna nanoarkuszy przygotowanych w różnych warunkach reakcji (13 min w 120 °C, 13 min w 180 °C i 30 min w 120 °C) otrzymanych z proszkowej spektroskopii XRD i spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera. Szczegóły znajdują się w tekście.

Discussion

Autorzy nie pozostają w konflikcie interesów.

Disclosures

Nanoarkusze wodorotlenku niklu są syntetyzowane w reakcji hydrotermalnej wspomaganej mikrofalami. Protokół ten pokazuje, że temperatura i czas reakcji stosowane do syntezy mikrofalowej wpływają na wydajność reakcji, strukturę krystaliczną i lokalne środowisko koordynacyjne.

Acknowledgements

S.W.K. i C.P.R. dziękują za wsparcie ze strony Biura Badań Marynarki Wojennej Programu Badań Podwodnych Marynarki Wojennej (Grant nr N00014-21-1-2072). S.W.K. dziękuje za wsparcie ze strony Programu Stażowego Naval Research Enterprise. C.P.R i C.M. dziękują za wsparcie ze strony National Science Foundation Partnerships for Research and Education in Materials (PREM) Center for Intelligent Materials Assembly, Award No. 2122041, za analizę warunków reakcji.

Materials

Dyfraktometr z szerokaką
Spektrometr FT-IR ATR-FTIRBrukerTensor II wyposażony w akcesorium do mikropróbkowania Harrick Scientific SplitPea ATR
Sonikator do kąpieliFisher Scientific15-337-409-
-Etanol VWRanalytical AC61509-0040200 proof
Glikol etylenowyVWRanalytical BDH1125-4LP99% czystości
Falcon Probówki wirówkoweVWR analytical21008-94050 ml
KimWipesVWRanalytical 21905-026--
Lab Quest 2NoniuszLABQ2 -
Reaktor mikrofalowyAnton Parr165741Monowave 450
Ni(NO3)2 · 6 H2OWard's Science470301-856Sonda pH klasy badawczej
Noniusz laboratoryjny PH-BTAWzorcowane a standardowe roztwory pH (pH = 4, 7, 11)
Mikromerytometr porozyjny --JAK NAJSZYBCIEJ 2020 r. Oprogramowanie analityczne: Micromeritics, wersja 4.03
Dyfraktometr rentgenowski w proszkurentgenowski BrukerAXS Advanced Poweder; analizy odstępów d i wielkości krystalitów przeprowadzono za pomocą oprogramowania Highscore XRD, a struktury krystaliczne stworzono za pomocą oprogramowania VESTA 3.
Fiolka reakcyjnaAnton Parr8272330 ml G30 szeroka, maksymalna pojemność 20 ml
Fiolka reakcyjna z blokadą pokrywyAnton Parr161724G30 z zatrzaskową
nakrętką Fiolka reakcyjna z przegrodą PTFEAnton Parr161728
Skaningowy mikroskop elektronowyFEI--Helios Nanolab 400
MocznikVWRanalityczny BDH4602-500GACS ocena

References

  1. Liu, B., et al. 120 Years of nickel-based cathodes for alkaline batteries. Journal of Alloys and Compounds. 834, 155185 (2020).
  2. Young, K. H., et al. Fabrications of high-capacity α-Ni(OH)2. Batteries. 3, 6 (2017).
  3. Huang, M., Li, M., Niu, C., Li, Q., Mai, L. Recent advances in rational electrode designs for high-performance alkaline rechargeable batteries. Advanced Functional Materials. 29 (11), 1807847 (2019).
  4. Hall, D. S., Lockwood, D. J., Bock, C., MacDougall, B. R. Nickel hydroxides and related materials: a review of their structures, synthesis and properties. Proceedings of the Royal Society A. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 471 (2174), 20140792 (2015).
  5. Miao, Y., et al. Electrocatalysis and electroanalysis of nickel, its oxides, hydroxides and oxyhydroxides toward small molecules. Biosensors and Bioelectronics. 53, 428-439 (2014).
  6. Suen, N. T., et al. Electrocatalysis for the oxygen evolution reaction: recent development and future perspectives. Chemical Society Reviews. 46 (2), 337-365 (2017).
  7. Diaz-Morales, O., Ledezma-Yanez, I., Koper, M. T., Calle-Vallejo, F. Guidelines for the rational design of Ni-based double hydroxide electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. ACS Catalysis. 5 (9), 5380-5387 (2015).
  8. Rossini, P. d. O., et al. Ni-based double hydroxides as electrocatalysts in chemical sensors: a review. Trends in Analytical Chemistry. 126, 115859 (2020).
  9. Yu, Z., Bai, Y., Tsekouras, G., Cheng, Z. Recent advances in Ni-Fe (Oxy)hydroxide electrocatalysts for the oxygen evolution reaction in alkaline electrolyte targeting industrial applications. Nano Select. 3 (4), 766-791 (2021).
  10. Othman, M. R., Helwani, Z., Martunus, F. W. J. N. Synthetic hydrotalcites from different routes and their application as catalysts and gas adsorbents: a review. Applied Organometallic Chemistry. 23 (9), 335-346 (2009).
  11. Bode, V. H., Dehmelt, K., Witte, J. About the nickel hydroxide electrode. II. On the oxidation products of nickel(II) hydroxidesZeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie. 366, 1-21 (1969).
  12. Kimmel, S. W., et al. Capacity and phase stability of metal-substituted α-Ni(OH)2 nanosheets in aqueous Ni-Zn batteries. Materials Advances. 2 (9), 3060-3074 (2021).
  13. Corrigan, D. A., Knight, S. L. Electrochemical and spectroscopic evidence on the participation of quadrivalent nickel in the nickel hydroxide redox reaction. Journal of the Electrochemical Society. 136 (3), 613-619 (1989).
  14. Shangguan, E., et al. A comparative study of structural and electrochemical properties of high-density aluminum substituted α-nickel hydroxide containing different interlayer anions. Journal of Power Sources. 282, 158-168 (2015).
  15. Li, Y. W., et al. Effect of interlayer anions on the electrochemical performance of Al-substituted α-type nickel hydroxide electrodes. International Journal of Hydrogen Energy. 35 (6), 2539-2545 (2010).
  16. Wang, C., Zhang, X., Xu, Z., Sun, X., Ma, Y. Ethylene glycol intercalated cobalt/nickel layered double hydroxide nanosheet assemblies with ultrahigh specific capacitance: structural design and green synthesis for advanced electrochemical storage. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (35), 19601-19610 (2015).
  17. Hunter, B. M., Hieringer, W., Winkler, J. R., Gray, H. B., Müller, A. M. Effect of interlayer anions on [NiFe]-LDH nanosheet water oxidation activity. Energy & Environmental Science. 9 (5), 1734-1743 (2016).
  18. Zhou, D., et al. Effects of redox-active interlayer anions on the oxygen evolution reactivity of NiFe-layered double hydroxide nanosheets. Nano Research. 11, 1358-1368 (2018).
  19. Cochran, E. A., Woods, K. N., Johnson, D. W., Page, C. J., Boettcher, S. W. Unique chemistries of metal-nitrate precursors to form metal-oxide thin films from solution: materials for electronic and energy applications. Journal of Materials Chemistry A. 7 (42), 24124-24149 (2019).
  20. Bilecka, I., Niederberger, M. Microwave chemistry for inorganic nanomaterials synthesis. Nanoscale. 2 (8), 1358-1374 (2010).
  21. Zhang, X., et al. Microwave-assisted synthesis of 3D flowerlike alpha-Ni(OH)2 nanostructures for supercapacitor application. Science China Technological Sciences. 58, 1871-1876 (2015).
  22. Li, J., Wei, M., Chu, W., Wang, N. High-stable α-phase NiCo double hydroxide microspheres via microwave synthesis for supercapacitor electrode materials. Chemical Engineering Journal. 316, 277-287 (2017).
  23. Tao, Y., et al. Microwave synthesis of nickel/cobalt double hydroxide ultrathin flowerclusters with three-dimensional structures for high-performance supercapacitors. Electrochimica Acta. 111, 71-79 (2013).
  24. Zhu, Y., et al. Ultrathin nickel hydroxide and oxide nanosheets: synthesis, characterizations and excellent supercapacitor performances. Scientific Reports. 4, 1-7 (2014).
  25. Benito, P., Labajos, F. M., Rives, V. Microwave-treated layered double hydroxides containing Ni and Al: the effect of added Zn. Journal of Solid State Chemistry. 179 (12), 3784-3797 (2006).
  26. Soler-Illia, G. J. d. A., Jobbágy, M., Regazzoni, A. E., Blesa, M. A. Synthesis of nickel hydroxide by homogeneous alkalinization. precipitation mechanism. Chemistry of Materials. 11 (11), 3140-3146 (1999).
  27. Xu, L., et al. 3D flowerlike α-nickel hydroxide with enhanced electrochemical activity synthesized by microwave-assisted hydrothermal method. Chemistry of Materials. 20 (1), 308-316 (2008).
  28. Alshareef, S. F., Alhebshi, N. A., Almashhori, K., Alshaikheid, H. S., Al-Hazmi, F. A ten-minute synthesis of alpha-Ni(OH)2 nanoflakes assisted by microwave on flexible stainless-steel for energy storage devices. Nanomaterials. 12 (11), 1911 (2022).
  29. Godínez-Salomón, F., et al. Self-supported hydrous iridium-nickel oxide two-dimensional nanoframes for high activity oxygen evolution electrocatalysts. ACS Catalysis. 8 (11), 10498-10520 (2018).
  30. Godínez-Salomón, F., Albiter, L., Mendoza-Cruz, R., Rhodes, C. P. Bimetallic two-dimensional nanoframes: high activity acidic bifunctional oxygen reduction and evolution electrocatalysts. ACS Applied Energy Materials. 3 (3), 2404-2421 (2020).
  31. Ying, Y., et al. Hydrous cobalt-iridium oxide two-dimensional nanoframes: insights into activity and stability of bimetallic acidic oxygen evolution electrocatalysts. Nanoscale Advances. 3 (7), 1976-1996 (2021).
  32. Kimmel, S. W., et al. Structure and magnetism of iron-substituted nickel hydroxide nanosheets. Magnetochemistry. 9 (1), 25-47 (2023).
  33. Thommes, M., et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 87 (9-10), 1051-1069 (2015).
  34. Birkholz, M., Fewster, P. F., Genzel, C. . Thin Film Analysis by X-ray Scattering. , (2006).
  35. Hall, D. S., Lockwood, D. J., Poirier, S., Bock, C., MacDougall, B. R. Raman and infrared spectroscopy of alpha and beta phases of thin nickel hydroxide films electrochemically formed on nickel. Journal of Physical Chemistry A. 116 (25), 6771-6784 (2012).
  36. Choy, J. H., Kwon, Y. M., Han, K. S., Song, S. W., Chang, S. H. Intra- and inter-layer structures of layered hydroxy double salts, Ni1-xZn2x(OH)2(CH3CO2)2xnH2O. Materials Letters. 34 (3-6), 356-363 (1998).
  37. Momma, K., Izumi, F. VESTA for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data. Journal of Applied Crystallography. 44 (6), 1272-1276 (2011).
  38. Godinez-Salomon, F., Mendoza-Cruz, R., Arellano-Jimenez, M. J., Jose-Yacaman, M., Rhodes, C. P. Metallic two-dimensional nanoframes: unsupported hierarchical nickel-platinum alloy nanoarchitectures with enhanced electrochemical oxygen reduction activity and stability. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (22), 18660-18674 (2017).
  39. Shakhashiri, B. Z., Dirreen, G. E., Juergens, F. Color, solubility, and complex ion equilibria of nickel (II) species in aqueous solution. Journal of Chemical Education. 57 (12), 900-901 (1980).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission

Play Video

Wpływ warunków syntezy mikrofalowej na strukturę nanoarkuszy wodorotlenku niklu
Contact Us Recommend to Library
Research
Business
Education
Solutions
About JoVE
Others
Contact Us Recommend to Library
JoVE logo

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved

Privacy Terms of Use Policies