Обратный Микроэмульсия-опосредованной Синтез монометаллических и биметаллические начале переходного металла карбида и нитрида наночастиц

Общая цель данной процедуры заключается в синтезе частиц переходного металла с карбидной структурой, не имеющих центрального ядра и ограниченных металлом на поверхности. Это достигается путем первоначального инкапсулирования монометаллических или биметаллических наночастиц оксидов переходных металлов в силикатные оболочки с помощью обратной микроэмульсии. На втором этапе проводится карбонизация наночастиц в трубчатой печи.

На этом этапе молекулярный водород восстанавливает инкапсулированные наночастицы оксида металла, удаляя кислород кристаллической решетки в виде молекулярной воды при повышенных температурах. Затем метан разлагается на поверхности металла и интеркалирует в решетку, образуя карбид. Заключительным этапом является удаление силикатных оболочек с помощью раствора фторидов в водной среде при комнатной температуре.

В конечном итоге просвечивающая электронная микроскопия и другие методы анализа, такие как порошковая рентгеновская дифракция и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, используются для подтверждения того, что наночастицы представляют собой однофазные карбиды, не имеющие центрирования и имеющие металлическую терминацию. Основные преимущества данной методики перед существующими методами, такими как мокрая пропитка технического углерода, заключаются в том, что инкапсуляция в матрицу нитрида углерода позволяет точно настраивать размер и состав частиц перед термической обработкой, а полученные наночастицы могут быть диспергированы на любом каталитическом носителе с высокой удельной площадью поверхности без воздействия на носитель жестких условий карбонизации или нейтрализации. Для приготовления обратной микроэмульсии сначала с помощью чистого, высушенного в печи мерного цилиндра добавьте 240 мл безводного н-гептана в чистую, высушенную в печи круглодонную колбу объемом один литр, содержащую высушенный в печи магнитный перемешиватель; затем добавьте к н-гептану 54 мл полиоксиэтиленлаурилового эфира; при постоянном перемешивании добавьте 7,8 мл ультрачистой деионизированной воды.

При желании с помощью пипетки добавьте от 0,1 до 0,5 миллилитра гидроксида аммония квалификации «чистый» в эмульсию. Чтобы сократить время гидролиза, закройте колбу резиновой пробкой, загерметизируйте парафиновым воском и перемешивайте обратную микроэмульсию в течение не менее 10 минут. Затем приготовьте раствор прекурсора оксида алюминия в смеси спирта и гептана.

Сначала поместите чистую, высушенную в сушильном шкафу круглодонную колбу объемом 250 мл в сухой перчаточный бокс с азотом, затем с помощью чистого сухого шприца добавьте 12 мл 5% по массе/объему раствора изопропоксида тантала в изопропаноле; на этом этапе с помощью чистой, высушенной в сушильном шкафу канюли можно добавить и другие алкоксиды металлов. Перенесите 120 мл безводного гептана в колбу объемом 250 мл, содержащую раствор алкоксида металла.

Затем, используя чистую просушенную в печи канюлю, перенесите раствор оксида металла в смеси спирта и гептана в обратную микроэмульсию при постоянном перемешивании в течение 10 минут. Через четыре часа с помощью чистого сухого шприца по каплям введите в раствор 1,4 мл аммиака (ч.д.а.). Затем, используя другой чистый сухой шприц, по каплям введите 1,2 мл тетраэтилортосиликата (ч.д.а.).

Через 16,5 часа извлеките резиновую пробку и с помощью чистого сухого мерного цилиндра добавьте в раствор 300 миллилитров метанола при постоянном перемешивании. После 10 минут перемешивания извлеките магнитный якорь и дайте раствору отстояться в течение одного часа, слейте жидкие фазы в контейнер для органических отходов и соберите твердую фазу оксидов металлов, инкапсулированных в силикагеле, в чистые центрифужные пробирки объемом 50 миллилитров для дальнейшей обработки, описанной в текстовом протоколе: подвергните порошок оксидов металлов, инкапсулированных в силикагеле, карбонизации в атмосфере метана и водорода, поместите порошок оксида кальция, инкапсулированного в силикагеле, в неглазурованную лодочку-тигель Illumina и установите в кварцевую трубчатую печь. Продуйте кварцевую трубчатую печь азотом в течение не менее 30 минут для удаления кислорода.

Также проведите проверку на герметичность, обрызгав все соединения мыльным раствором; проведите карбонизацию порошка оксида металла, инкапсулированного в силикат, при скорости нагрева 2 °C в минуту до 850 °C в течение четырех часов при потоке водорода 120 sccm (стандартных кубических сантиметров в минуту) и метана 33 sccm для формирования карбидов металла, инкапсулированных в силикат. Через четыре часа прекратите подачу метана и выдержите порошок при температуре 850 °C в течение одного часа только в потоке водорода 120 sccm для удаления избыточного поверхностного углерода перед растворением силиката в фториде аммония для получения кислотостойких карбидов металла. Отвесьте 200 мг карбидов металла, инкапсулированных в силикат, и поместите их в герметичный полипропиленовый контейнер объемом 30 мл с магнитной мешалкой с тефлоновым покрытием.

Если требуется нанести наночастицы на каталитический носитель с большой площадью поверхности, такой как активированный уголь, сажа или углеродные нанотрубки, отвесьте необходимое количество материала и поместите его в герметичный полипропиленовый контейнер. Затем добавьте 20 мл ультрачистой деионизированной воды и начните перемешивание для получения суспензии. Отвесьте пять граммов бифторида аммония (NH₄HF₂) и добавьте его в перемешиваемую смесь.

После герметизации полипропиленового контейнера растворение A BF в воде протекает эндотермически, поэтому температура раствора снизится, что обеспечит полное растворение кремнезема и хорошую дисперсию наночастиц на носителе катализатора. Остановите реакцию через 16 часов, добавляя по каплям гидроксид аммония квалифицированной чистоты для нейтрализации раствора A BF до pH от шести до семи. Соблюдайте осторожность, так как эта реакция экзотермична; перелейте нейтрализованную смесь в центрифужную пробирку и центрифугируйте при 2056 ×g в течение 10 минут.

Здесь представлены репрезентативные изображения просвечивающей электронной микроскопии наночастиц оксидов ранних переходных металлов с многослойным и однослойным покрытием, инкапсулированных в силикатные оболочки. Далее представлены репрезентативные изображения просвечивающей электронной микроскопии наночастиц карбидов металлов, инкапсулированных в силикат после карбонизации, с различным распределением наночастиц карбида металла по размеру. Здесь приведено репрезентативное изображение сканирующего просвечивающего электронного микроскопа наночастиц карбида вольфрама с терминальным расположением металла и отсутствием центрального ядра, диспергированных на носителе из сажи после удаления силикатных оболочек.

После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как синтезировать наночастицы карбидов и нитратов переходных металлов с терминальными металлами без центрального ядра, используя метод силицирования с помощью обратных микроэмульсий.