Name: Synteza stopionych soli złożonych nanocząstek tlenków metali (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 43 s
Description: Poznaj metodę syntezy stopionych soli do wytwarzania jednorodnych nanocząstek tlenku lantanu i hafnu. Technika ta umożliwia produkcję wysokiej jakości monodyspersyjnych nanocząstek w niskiej temperaturze.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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).

1. Przygotowanie prekursora kompleksu z jednego źródła za pomocą ścieżki współwytrącania
<ol>
	<li>Przygotowanie roztworu prekursora lantanu i hafnu
	<ol>
		<li>Odmierz 200 ml wody destylowanej w zlewce o pojemności 500 ml i zacznij mieszać z prędkością 300 obr./min.</li>
		<li>Rozpuścić prekursory lantanu i hafnu w wodzie do mieszania [tj. 2,165 g sześciowodnego azotanu lantanu (La(NO3)3•6H2O) i 2,0476 g oktahydratu tlenku dichlorku hafnu (HfOCl2•8H2O)].</li>
		<li>Pozostaw roztwór na mieszanie przez 30 minut przed rozpoczęciem miareczkowania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie rozcieńczonego roztworu amoniaku
	<ol>
		<li>Przygotuj 200 ml rozcieńczonego roztworu amoniaku o różnych stężeniach, w tym 0,75%, 1,5%, 3,0%, 6,0% i 7,5%. Na przykład dodaj 20 ml stężonego roztworu amoniaku (NH4OH (aq), 28-30%) do 180 ml wody destylowanej w osobnej zlewce, aby uzyskać 3,0% rozcieńczony roztwór amoniaku.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Miareczkowanie i przemywanie jednoźródłowego prekursora kompleksu
	<ol>
		<li>Dodać rozcieńczony roztwór amoniaku przygotowany w poprzednim kroku do biurety i upewnić się, że biureta jest zawsze przykryta, ponieważ roztwór amoniaku ma tendencję do parowania, co zmniejsza jego stężenie.</li>
		<li>Dodać rozcieńczony roztwór amoniaku w biurecie do mieszającego roztworu azotanu lantanu i tlenku dichlorku hafnu kroplami.</li>
		<li>Dostosuj odpowiednio prędkość opadania roztworu amoniaku, tak aby był on dodawany w ciągu 2 godzin.</li>
		<li>Po dostarczeniu kilku ml roztworu amoniaku upewnij się, że roztwór stanie się mętny. Jest to prosty znak, że tworzy się osad jednoźródłowego prekursora kompleksu La(OH)3·HfO(OH)2·nH2O.</li>
		<li>Po 2 godzinach wyjmij pręt mieszający i pozwól osadowi leżakować przez noc.</li>
		<li>Sprawdź pH współwytrąconego roztworu przed praniem. Przemyć osad wodą destylowaną, aż supernatant osiągnie neutralne pH, co zwykle zajmuje 5-8 przemyć.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Filtracja próżniowa i suszenie prekursora
	<ol>
		<li>Przefiltrować próżniowo roztwór z kopcypitacją za pomocą bibuły filtracyjnej o grubej porowatości (40-60 μm; patrz tabela materiałów) w celu oddzielenia osadu stałego od supernatantu.</li>
		<li>Upewnij się, że wszystkie złożone pozostałości prekursorów zostały zmyte ze ścianek zlewki.</li>
		<li>Wysuszyć na powietrzu otrzymany jednoźródłowy prekursor kompleksu La(OH)3·HfO(OH)2·nH2Ow temperaturze pokojowej przez noc.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Synteza stopionej soli nanocząsteczek hafnianu lantanu
<ol>
	<li>Przygotowanie mieszaniny soli i prekursorów
	<ol>
		<li>Zmierzyć 30 mmol (3,033 g) azotanu potasu (KNO3) i 30 mmol (2,549 g) azotanu sodu (NaNO3).</li>
		<li>Połączyć odmierzone sole z 0,35 g przygotowanego w tej postaci jednoźródłowego prekursora kompleksu La(OH)3·HfO(OH)2·nH2O.</li>
		<li>W razie potrzeby dodaj do mieszaniny 1-5 ml acetonu lub etanolu, aby ułatwić mielenie. Upewnij się, że cały rozpuszczalnik został odparowany przed umieszczeniem mieszaniny w tyglu</li>.
		<li>Zmielone sole i prekursor mielić tak drobno, jak to możliwe, przez około 30 minut za pomocą moździerza i tłuczka.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przetwarzanie stopionej soli
	<ol>
		<li>Powstałą mieszaninę umieścić w tyglu korundowym, a następnie umieścić w piecu muflowym.</li>
		<li>Ustawić piec na 650 °C na 6 godzin z prędkością narastania 10 °C/min.</li>
		<li>Po schłodzeniu próbki i pieca do temperatury pokojowej wyjąć tygiel i zanurzyć próbkę w zlewce wypełnionej wodą destylowaną na noc.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Mycie i suszenie nanocząsteczek La2Hf2O7
	<ol>
		<li>Opróżnij próbkę z tygla do zlewki o pojemności 1 l.</li>
		<li>Przemyć próbkę wodą destylowaną 5-8 razy, aż sklarowany nad osadem będzie wolny od soli i nie będzie już mętny.</li>
		<li>Oczyść produkt przez odwirowanie lub filtrację próżniową w celu usunięcia wszelkich pozostałości zanieczyszczeń.</li>
		<li>Produkt suszyć w piekarniku w temperaturze 90 °C przez noc.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Kimura, T. Molten salt synthesis of ceramic powders. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKimura%2C+T+%22Advances+in+Ceramics%22">Advances in Ceramics</a>. , InTech. Chapter 4 75-100 (2011).</li>
<li>Mao, Y., Park, T. J., Wong, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+classes+of+ternary+metal+oxide+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Communications%22%5BJournal%5D)">Synthesis of classes of ternary metal oxide nanostructures.</a> Chemical Communications. 0 (46), 5721-5735 (2005).</li>
<li>Mao, Y., Zhou, H., Wong, S. S. <a target="_blank" href="https://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/materials-science/perovskite-phase-metal-oxide-nanostructures.html">Perovskite-phase metal oxide nanostructures: Synthesis, properties, and applications.</a> Material Matters. 5, 50-53 (2010).</li>
<li>Mao, Y., Guo, X., Huang, J. Y., Wang, K. L., Chang, J. P. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp807111h">Luminescent nanocrystals with A2B2O7 composition synthesized by a kinetically modified molten salt Method.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 113 (4), 1204-1208 (2009).</li>
<li>Yu, Y., Wang, S., Li, W., Chen, Z. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032591017307751">Low temperature synthesis of LaB6 nanoparticles by a molten salt route.</a> Powder Technology. 323, 203-207 (2018).</li>
<li>Liu, X., Fechler, N., Antonietti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Salt+melt+synthesis+of+ceramics%2C+semiconductors+and+carbon+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Salt melt synthesis of ceramics, semiconductors and carbon nanostructures.</a> Chemical Society Reviews. 42 (21), 8237-8265 (2013).</li>
<li>Chang, Y., Wu, J., Zhang, M., Kupp, E., Messing, C. L. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884217313664">Molten salt synthesis of morphology controlled alpha-alumina platelets.</a> Ceramics International. 43 (15), 12684-12688 (2017).</li>
<li>Mao, Y., Park, T. J., Zhang, F., Zhou, H., Wong, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Environmentally+friendly+methodologies+for+nanostructure+synthesis%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Environmentally friendly methodologies for nanostructure synthesis.</a> Small. 3 (7), 1122-1139 (2007).</li>
<li>Liu, J. R., Hong, R. Y., Feng, W. G., Badami, D., Wang, Y. Q. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032591014004069">Large scale production of strontium ferrite by molten salt assited coprecipitation.</a> Powder Technology. 262, 142-149 (2014).</li>
<li>Yuanbing, M., Banerjee, S., Wong, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+synthesis+of+single-crystalline+perovskite+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Large-scale synthesis of single-crystalline perovskite nanostructures.</a> Journal of the American Chemical Society. 125 (51), 15718-15719 (2003).</li>
<li>Mao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Facile+synthesis+of+ferromagnetic+double+perovskite+oxide+La2BMnO6+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22RSC+Advances%22%5BJournal%5D)">Facile synthesis of ferromagnetic double perovskite oxide La2BMnO6 nanoparticles.</a> RSC Advances. 2 (33), 12675-12678 (2012).</li>
<li>Hailili, R., Wang, C., Lichtfouse, E. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337318302832">Perovskite nanostructures assembled in molten salt based on halogen anions KX (X = F, Cl and Br): Regulated morphology and defect-mediated photocatalytic activity.</a> Applied Catalysis B: Enviromental. 232, 531-543 (2018).</li>
<li>Yuanbing Mao, J. P., McCloy, J. S. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2013/nr/c3nr00825h#!divAbstract">Magnetic properties of double perovskite oxide La2BMnO6 nanocrystals.</a> Nanoscale. 5 (11), 4720-4728 (2013).</li>
<li>Mao, Y., Wong, S. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reproducible+composition+and+shape+control+of+crystalline+Ca1-xSrxTiO3+perovskite+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Reproducible composition and shape control of crystalline Ca1-xSrxTiO3 perovskite nanoparticles.</a> Advanced Materials. 17 (18), 2194-2199 (2005).</li>
<li>Rojas-Hernandez, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Original+synthetic+route+to+obtain+a+SrAl2O4+phosphor+by+the+molten+salt+method%3A+insights+into+the+reaction+mechanism+and+enhancement+of+the+persistent+luminescence%5BTitle%5D)+AND+%22Inorganic+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Original synthetic route to obtain a SrAl2O4 phosphor by the molten salt method: insights into the reaction mechanism and enhancement of the persistent luminescence.</a> Inorganic Chemistry. 54 (20), 9896-9907 (2015).</li>
<li>Reddy, M. V., Xu, Y., Rajarajan, V., Ouyang, T., Chowdari, B. V. R. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.5b00439">Template free facile molten synthesis and energy storage studies on MCo2O4 (M = Mg, Mn) as anode for Li-ion batteries.</a> ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 3 (12), 3035-3042 (2015).</li>
<li>Zuniga, J. P., Gupta, S. K., Pokhrel, M., Mao, Y. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/nj/c8nj00895g#!divAbstract">Exploring optical properties of La2Hf2O7:Pr3+ nanoparticles under UV and X-ray excitations for potential lighting and scintillating applications.</a> New Journal of Chemistry. 42 (12), 9381-9392 (2018).</li>
<li>Pokhrel, M., Wahid, K., Mao, Y. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.6b04798">Systematic studies on RE2Hf2O7:5%Eu3+ (RE = Y, La, Pr, Gd, Er, and Lu) nanoparticles: Effects of the A-Site RE3+ cation and calcination on structure and photoluminescence.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 120 (27), 14828-14839 (2016).</li>
<li>Wahid, K., Pokhrel, M., Mao, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural%2C+photoluminescence+and+radioluminescence+properties+of+Eu3%2B+doped+La2Hf2O7+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Solid+State+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Structural, photoluminescence and radioluminescence properties of Eu3+ doped La2Hf2O7 nanoparticles.</a> Journal of Solid State Chemistry. 245, 89-97 (2017).</li>
<li>Park, T. J., Papaefthymiou, G. C., Moodenbaugh, A. R., Mao, Y., Wong, S. S. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2005/jm/b501552a/unauth#!divAbstract">Synthesis and characterization of submicron single-crystalline Bi2Fe4O9 cubes.</a> Journal of Materials Chemistry. 15 (21), 2099-2105 (2005).</li>
<li>Gilbert, M. R. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884215023457">Molten salt synthesis of titanate pyrochlore waste-forms.</a> Ceramics International. 42 (4), 5263-5270 (2016).</li>
<li>Huang, Z., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884216000328">Molten salt synthesis of La2Zr2O7 ultrafine powders.</a> Ceramics International. 42 (5), 6221-6227 (2016).</li>
<li>Huang, Z., Duan, H., Liu, J., Zhang, H. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884216301997">Preparation of lanthanum cerate powders via a simple molten salt route.</a> Ceramics International. 42 (8), 10482-10486 (2016).</li>
<li>Wang, G., et al. <a target="_blank" href="https://www.infona.pl/resource/bwmeta1.element.elsevier-02ca3ed9-905a-3502-8d8e-b897f1e09d73">Fabrication of rod-like Ti4O7 with high conductivity by molten salt synthesis.</a> Materials Letters. 186, 361-363 (2017).</li>
<li>Pokhrel, M., Burger, A., Groza, M., Mao, Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925346716306334">Enhance the photoluminescence and radioluminescence of La2Zr2O7:Eu3+ core nanoparticles by coating with a thin Y2O3 shell.</a> Optical Materials. 68, 35-41 (2017).</li>
<li>Ramesh, G., Subramanian, V., Sivasubramanian, V. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025540810003624">Dielectric properties of lead indium niobate ceramics synthesized by conventional solid state reaction method.</a> Materials Research Bulletin. 45 (12), 1871-1874 (2010).</li>
<li>Gupta, S. K., et al. <a target="_blank" href="https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/tc/c6tc01032f#!divAbstract">Role of various defects in the photoluminescence characteristics of nanocrystalline Nd2Zr2O7: An introspection through spectroscopic and DFT calculations.</a> Journal of Materials Chemistry C. 4 (22), 4988-5000 (2016).</li>
<li>Wang, X., Zhu, Y., Zhang, W. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022309310000360">Preparation of lanthanum zirconate nano-powders by molten salt method.</a> Journal of Non-Crystalline Solids. 356 (20-22), 1049-1051 (2010).</li>
<li>Popov, V. V., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838816323866">Fluorite-pyrochlore phase transition in nanostructured Ln2Hf2O7 (Ln = La-Lu).</a> Journal of Alloys and Compounds. 689, 669-679 (2016).</li>
<li>Rybarczyk, M. K., Gontarek, E., Lieder, M., Titirici, M. M. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016943321733307X">Salt melt synthesis of curved nitrogen-doped carbon nanostructures: ORR kinetics boost.</a> Applied Surface Science. 435, 543-551 (2018).</li>
<li>Ozen, M., Mertens, M., Snikers, F., D'Hondt, H., Cool, P. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921883116302539">Molten-salt synthesis of tetragonal micron-sized barium titanate from a peroxo-hydroxide precursor.</a> Advanced Powder Technology. 28 (1), 146-154 (2017).</li>
<li>Fazli, R., Fazli, M., Safaei-Naeini, Y., Golestani-Fard, F. <a target="_blank" href="https://www.researchgate.net/publication/257108017_The_effects_of_processing_parameters_on_formation_of_nano-spinel_MgAl2O4_from_LiCl_moltensalt">The effects of processing parameters on formation of nano-spinel (MgAl2O4) from LiCl molten salt.</a> Ceramics International. 39 (6), 6265-6270 (2013).</li>
<li>Bortolani, F., Dorey, R. A. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221910001524">Molten salt synthesis of PZT powder for direct write inks.</a> Journal of the European Ceramic Society. 30 (10), 2073-2079 (2010).</li>
<li>Zhou, H., Mao, Y., Wong, S. S. <a target="_blank" href="https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm071456j">Probing structure-parameter correlations in the molten synthesis of BaZrO3 perovskite submicron-sized particles.</a> Chemistry of Materials. 19 (22), 5238-5249 (2007).</li>
<li>Kimura, T., Machida, M., Yamaguchi, T., Newnham, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Products+of+reaction+between+PbO+and+Nb2O5+in+molten+KCl+or+NaCl%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Ceramic+Society%22%5BJournal%5D)">Products of reaction between PbO and Nb2O5 in molten KCl or NaCl.</a> Journal of the American Ceramic Society. 66 (10), 195-197 (1983).</li>
<li>Liu, S., et al. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775316317839">A novel rechargeable zinc-air battery with molten salt electrolyte.</a> Journal of Power Sources. 342, 435-441 (2017).</li>
<li>Huang, Z., Li, B., Liu, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molten-salt+synthesis+of+oxyapatite+La9.33Si6O26+powders+as+electrolytes+for+intermediate+temperature+solid+oxide+fuel+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+status+solidi+A+-+Applicationand+Materials+Science%22%5BJournal%5D)">Molten-salt synthesis of oxyapatite La9.33Si6O26 powders as electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells.</a> Physica status solidi A - Applicationand Materials Science. 207 (10), 2247-2251 (2010).</li>
<li>Ahmed, J., Mao, Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022459616302572">Synthesis, characterization and electrocatalytic properties of delafossite CuGaO2.</a> Journal of Solid State Chemistry. 242 (1), 77-85 (2016).</li>
<li>Ahmed, J., Mao, Y. <a target="_blank" href="https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013468616314396">Ultrafine iridium oxide nanorods synthesized by molten salt method toward electrocatalytic oxygen and hydrogen evolution reactions.</a> Electrochimica Acta. 212, 686-693 (2016).</li>
</ol>

Nie ma żadnych konfliktów do zgłoszenia.

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.
<img alt="Schemat procesu syntezy: prekursor, mieszanie, MSS, etapy płukania i suszenia, czynniki kontrolne." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58482/58482fig4.jpg" ...

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.
<img alt="Schemat procesu syntezy: nanoproszek La2Hf2O7 poprzez wytrącanie, filtrowanie i kalcynację." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58482/58482fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Schemat etapów syntezy NP La2Hf2O7 metodą MSS. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58482/58482fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

<table><tbody><tr><td>Aceton, ACS, 99.5+%</td><td>Alfa Aesar</td><td>67-64-1</td><td>Suszone na sitach 4A</td></tr><tr><td>Dichlorek hafnu tlenek oktahydrat, 98+% (w przeliczeniu na metale z wyłączeniem Zr), Zr < 1,5%</td> <td>Alfa Aesar</td><td>14456-34-9</td><td>Higroskopijny</td></tr><tr><td>sześciowodny azotan lantanu(III)</td><td>Aldrich</td><td>10277-43-7</td><td>Higroskopijny</td></tr><tr><td>azotan potasu, ReagentPlus R, &ge; 99,0%</td> <td>Sigma-Aldrich</td><td>7757-79-1</td><td>Higroskopijny</td></tr><tr><td>azotan sodu, ReagentPlus R, &ge; 99,0%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>7631-99-4</td><td></td></tr><tr><td>Wodorotlenek amonu, 28% NH3, NH4OH</td><td>Alfa Aesar</td><td>1336-21-6</td><td></td></tr><tr><td>Bibuła filtracyjna, klasa P8</td><td>Fisherbrand</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

synteza stopionych soli złożonych nanocząstek tlenków metali

Molten-Salt Synthesis of Complex Metal Oxide Nanoparticles

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.

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...

Tutaj demonstrujemy unikalną, stosunkowo niskotemperaturową metodę syntezy stopionej soli do przygotowania jednorodnych nanocząstek hafniatu lantanu z tlenku metalu.

Synteza stopionych soli złożonych nanocząstek tlenków metali

The development of feasible synthesis methods is critical for the successful exploration of novel properties and potential applications of nanomaterials. ...

Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie metody stopionej soli jako odpowiedniej techniki syntezy wysokiej jakości monodyspersyjnych nanocząstek lanthium hafnu. Synteza stopionej soli jest szeroko stosowana do wzbogacania drożdży w celu wytworzenia nanocząstek. Nanocząstki, które zostały wytworzone, obejmują tlenki metali, fluorki, a nawet zostały wykorzystane do wytworzenia nanocząstek międzymetalicznych.Najpierw zacznij od odmierzenia 200 mililitrów wody destylowanej w zlewce o pojemności 500 mililitrów i pozwól jej mieszać z prędkością 300 obrotów na minutę. Odmierz 2,165 grama sześciowodnego azotanu lantanu i 2,0476 grama oktahydratu dichlorku hafnu. Następnie dodaj wszystkie materiały, mieszając i pozwól materiałowi wyjściowemu jednocześnie się rozpuścić.Przygotować roztwor amoniaku o różnych stężeniach. Na przykład dodaj 20 mililitrów wodorotlenku amoniaku 30% do 180 mililitrów wody destylowanej w osobnej zlewce, aby uzyskać stężenie 3% Dodaj rozcieńczony roztwór wodorotlenku amoniaku przygotowany w poprzednim kroku do biurety. W tym przypadku pokazujemy dodanie 3% stężenia wodorotlenku amoniaku.Upewnij się, że biureta jest przez cały czas przykryta, ponieważ roztwór amoniaku ma tendencję do parowania, co zmniejsza jego stężenie. Rozpocznij miareczkowanie w postaci kropli. Dostosuj odpowiednio prędkość kropli przez dwie godziny.Po dostarczeniu kilku mililitrów roztwór stanie się mętny. To prosty znak, że tworzy się osad. Po dwóch godzinach usuń sznurek i pozwól osadowi osiąść przez noc.Sprawdź pH roztworu przed myciem. Przemyć osad wodą destylowaną, aż supernatant osiągnie neutralne pH, co zwykle wymaga od pięciu do ośmiu przemyć. Uruchom konfigurację filtracji próżniowej i przefiltruj roztwór, wlewając go, po zneutralizowaniu, za pomocą lejka filtrującego z bibułą filtracyjną.Upewnij się, że wszystkie złożone pozostałości prekursorów zostały zmyte ze ścianek zlewki. Wysuszyć otrzymany prekursor w temperaturze pokojowej. Zmierz 3,033 grama azotanu potasu i 2,549 grama azotanu sodu.Połączyć odmierzone sole z 35 gramami przygotowanego źródłowego prekursora kompleksu. Do mieszanki można dodać od jednego do pięciu mililitrów acetonu lub etanolu, aby ułatwić mielenie. Upewnić się, że cały rozpuszczalnik został odparowany przed umieszczeniem mieszaniny w tyglu.Zmiel zmieszane sole i prekursor tak drobno, jak to możliwe przez około 30 minut. Powstałą mieszaninę umieścić w wydrążonym tyglu i umieścić w piecu muflowym. Ustaw piec na 650 stopni na sześć godzin z szybkością tłoka dziesięciu stopni na minutę.Jest to, że reakcja jest kontrolowana przez niepokój stopionej soli, możesz użyć halogenku metali alkalicznych, wodorków metali alkalicznych i siarczków metali alkalicznych, ale reakcja celu zależy od sposobu, w jaki wybraliśmy stopioną sól. Należy mieć pewność, że ma niską temperaturę topnienia, wystarczającą do przetworzenia reakcji, i powinna mieć ją dla optymalnej konsystencji wody, aby mogła się naprawdę łatwo poruszać, po prostu myjąc ją wodą. Tutaj, co robią te reakcje, to naprawdę obniża temperaturę formujących w porównaniu z innymi drogami o wysokiej temperaturze, a także zwiększa szybkość reakcji.Zwiększa szybkość reakcji na dwa sposoby. Zwiększa kontakt reagenta i zwiększa ruchliwość bazy reagentów na powierzchni stopionej soli. A tutaj cząstki utworzyły łącznie niską temperaturę w dwóch różnych krokach.Jeden etap nazywa się reakcją, a drugi etap nazywa się wzrostem cząstek. Na etapie reakcji cząsteczki reagenta reagują i reagują nadal, chyba że wszystkie są w stanie reakcji. Po zużyciu wszystkich reagentów na powierzchni stopionej soli zachodzi tworzenie się cząstek, a wzrost cząstki będzie miał miejsce jako materia.Piękno polega na tym, że wszystkie te cząstki, które znajdują się poniżej nauki o stwierdzeniu krytycznej granicy, rozpuszczają się w stopionej soli, dzięki czemu otrzymujemy bardzo mono rozproszoną cząstkę o bardzo drobnej morfologii. Wzorce dyfrakcji rentgenowskiej pozwalają na określenie poziomu czystości syntetyzowanych nanocząstek. Reprezentatywne wyniki pokazują, że w próbkach nie ma żadnych zanieczyszczeń, ponieważ stwierdza się tylko odblaskowe warstwy z defektu fluoru.Jednak jedną z głównych wad XRD jest to, że nie rozróżnia fazy struktury fluoru i pirochloru. Ze względu na bliskie podobieństwo, XRD nie wykazuje odbicia supernatantów w strukturze pirochloru. Dlatego potrzebna jest inna, bardziej wrażliwa na strukturę, technika, taka jak spektroskopia Ramana.Średnią wielkość cząstek można obliczyć za pomocą równania udziałów koła. Równanie to daje uczciwe wyniki dla sferycznych nanocząstek. Obliczona wielkość jest proporcjonalna do stężenia wodorotlenku amonu.Spektroskopia Ramana wykazała sześć modów oscylacyjnych odpowiadających uporządkowanej fazie pirochloru. Ogólnie rzecz biorąc, synteza stopionej soli jest łatwą do nauczenia się metodologią. Ja, jako student, uważam, że jest to wydajny proces wytwarzania wysokiej jakości nanocząstek.Jedną z wielu zalet tego procesu jest bezpieczeństwo. Sam proces nie wytwarza żadnych toksycznych oparów i jesteśmy w stanie przeprowadzić go na wolnym powietrzu. Ponadto nie oczekuje się, że zostanie znaleziony produkt uboczny, co sprawia, że jest to metoda bardzo przyjazna dla środowiska.Na dodatek, w rzeczywistości zbadaliśmy wiele zastosowań syntezy stopionej soli w celu uzyskania wielkości dwóch szlachetnych nanocząstek. Zoptymalizowaliśmy pod tym kątem takie parametry, jak pH, czas przetwarzania i warunki termiczne, a na pewno jest się w stanie zoptymalizować tego typu parametry, aby z pewnością uzyskać produkt wysokiej jakości. Jako grupa staraliśmy się również rozszerzyć syntezę stopionych soli, aby uzyskać inne technologicznie ważne tlenki, takie jak między innymi, a wysiłek włożony w to, aby te nanomateriały o dobrze zdefiniowanym rozmiarze, kształcie i powierzchni mogły być wykorzystywane w różnych zastosowaniach katalizatorowych, magnetycznych, optycznych i niektórych późniejszych.

molten-salt-synthesis-of-complex-metal-oxide-nanoparticles

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Źródło: Lin, P., et al. Synteza wolframianu sodu i mikrokapsułek molibdenianu sodu poprzez bakteryjne wydalanie minerałów. J. Vis. Exp. (2018).Ten film przedstawia procedurę syntezy sztywnych mikrokapsułek z tlenku metalu poprzez hodowlę bakterii redukujących metale za pomocą jonów metali, a następnie sekwencyjne oczyszczanie poprzez sonikację, wirowanie i mycie etanolem.

Synteza mikrokapsułek tlenków metali z wykorzystaniem bakterii redukujących metale

Opisujemy zastosowanie pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD), fotolitografii i technik łączenia drutów do tworzenia złożonych urządzeń tlenkowych w skali mikrometrycznej. PLD jest wykorzystywany do hodowli cienkich warstw epitaksjalnych. Wprowadza się techniki fotolitografii i łączenia drutowego w celu stworzenia praktycznych urządzeń do celów pomiarowych.

Wytwarzanie przestrzennie ograniczonych złożonych tlenków

A "metoda usuwania powłoki ceramicznej" jest przedstawiona w formie wizualnej do syntezy niespiekanych i zakończonych metalem monometalicznych i bimetalicznych nanocząstek wczesnego węglika i azotku metalu przejściowego o regulowanych rozmiarach i strukturach krystalicznych.

Odwrócona synteza mikroemulsji monometalicznych i bimetalicznych nanocząstek węglika i azotku metalu przejściowego we wczesnym okresie przejściowym

Opisana jest synteza zol-żel za pośrednictwem surfaktantu nanosized monosodium titanate, wraz z przygotowaniem odpowiedniego materiału modyfikowanego nadtlenkiem. Przedstawiono również reakcję wymiany jonowej z Au(III).

Synteza i chemia reakcji nanometrażowego tytanianu sodu

Opisano nowatorską metodę syntezy nanocząstek z metalowym rdzeniem przy użyciu stabilnego w wodzie silanolu.

Wytwarzanie nanocząstek o zerowym rdzeniu metalowym przy użyciu n-(2-aminoetylo)-3-aminolohydrotriolu

Przedstawiono syntezę chalkogenidoplumbatów(II,IV) poprzez redukcję in situ nominalnego "PbCh2" (Ch = Chalkogen) oraz poprzez reakcję w stanie stałym i następujące po niej reakcje solwotermiczne. Dodatkowo przedstawiono reaktywności roztworów hydrauliki(II), w wyniku których powstaje najcięższy znany do tej pory homolog CO: ligand μ-PbSe.

Połączenie technik w stanie stałym i technik opartych na roztworach: synteza i reaktywność chalkogenidoplumbatów (II lub IV)

Ta praca przedstawia protokół wytwarzania mikrokapsułek z wolframianu sodu i molibdenianu sodu za pomocą bakterii i odpowiadających im nanocząstek.

Synteza wolframianu sodu i mikrokapsułek molibdenianu sodu poprzez bakteryjne wydalanie minerałów

Struktury metaloorganiczne są skuteczne w magazynowaniu gazu i katalizie heterogenicznej, ale typowe metody syntezy skutkują powstawaniem sypkich proszków, które są trudne do włączenia do inteligentnych materiałów. Przedstawiono metodę polegającą na pierwszym powlekaniu tkanin tlenkami metali ALD, w wyniku czego powstają konforemne warstwy MOF na tkaninach podczas syntezy solwotermicznej.

Synteza solwotermiczna MIL-96 i UiO-66-NH2 na warstwach atomowych osadzonych powłok z tlenku metalu na matach włóknistych

Opisano protokół syntezy nanocząstek bimetalicznych w cieczach jonowych oraz procedurę ich katalitycznego testowania w selektywnym uwodornieniu nienasyconych aldehydów.

Synteza bimetalicznych nanocząstek na bazie Pt/Sn w cieczach jonowych

Przedstawiono metodę syntezy pozwalającą na otrzymanie porowatych makrorurek i makrowiązek na bazie platyny o przekroju kwadratowym poprzez chemiczną redukcję nierozpuszczalnych matryc solnych.

Metoda syntezy z szablonami soli dla porowatych makrowiązek i makrorurek na bazie platyny

Poznaj metodę syntezy stopionych soli do wytwarzania jednorodnych nanocząstek tlenku lantanu i hafnu. Technika ta umożliwia produkcję wysokiej jakości monodyspersyjnych nanocząstek w niskiej temperaturze.

Synteza stopionych soli złożonych nanocząstek tlenków metali

Przeglądaj więcej filmów