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Chemistry

निकल हाइड्रॉक्साइड नैनोशीट्स की संरचना पर माइक्रोवेव संश्लेषण की स्थिति का प्रभाव

Published: August 18, 2023 doi: 10.3791/65412
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 1,2
1Materials Science, Engineering, and Commercialization Program, Texas State University, 2Department of Chemistry and Biochemistry, Texas State University, 3Westlake Highschool

Summary

निकल हाइड्रॉक्साइड नैनोशीट्स को माइक्रोवेव-असिस्टेड हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रिया द्वारा संश्लेषित किया जाता है। यह प्रोटोकॉल दर्शाता है कि माइक्रोवेव संश्लेषण के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रतिक्रिया तापमान और समय प्रतिक्रिया उपज, क्रिस्टल संरचना और स्थानीय समन्वय वातावरण को प्रभावित करता है।

Abstract

हल्के अम्लीय परिस्थितियों में निकल हाइड्रॉक्साइड नैनोशीट्स के तेजी से, माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त हाइड्रोथर्मल संश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया जाता है, और सामग्री की संरचना पर प्रतिक्रिया तापमान और समय के प्रभाव की जांच की जाती है। अध्ययन की गई सभी प्रतिक्रिया स्थितियों के परिणामस्वरूप स्तरित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट का समुच्चय होता है। प्रतिक्रिया तापमान और समय सामग्री और उत्पाद उपज की संरचना को दृढ़ता से प्रभावित करते हैं। उच्च तापमान पर α-नी (ओएच) 2 को संश्लेषित करने से प्रतिक्रिया उपज बढ़ जाती है, इंटरलेयर रिक्ति कम हो जाती है, क्रिस्टलीय डोमेन आकार बढ़ जाता है, इंटरलेयर आयन कंपन मोड की आवृत्तियों को बदल देता है, और छिद्र व्यास को कम करता है। लंबे समय तक प्रतिक्रिया समय प्रतिक्रिया पैदावार में वृद्धि और समान क्रिस्टलीय डोमेन आकार में परिणाम. स्वस्थानी में प्रतिक्रिया दबाव की निगरानी से पता चलता है कि उच्च प्रतिक्रिया तापमान पर उच्च दबाव प्राप्त होते हैं। यह माइक्रोवेव-असिस्टेड संश्लेषण मार्ग एक तेज़, उच्च-थ्रूपुट, स्केलेबल प्रक्रिया प्रदान करता है जिसे कई ऊर्जा भंडारण, उत्प्रेरण, सेंसर और अन्य अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किए जाने वाले विभिन्न प्रकार के संक्रमण धातु हाइड्रॉक्साइड के संश्लेषण और उत्पादन पर लागू किया जा सकता है।

Introduction

निकल हाइड्रॉक्साइड, नी (ओएच) 2, निकल-जस्ता और निकल-धातु हाइड्राइड बैटरी 1,2,3,4, ईंधन कोशिकाओं4, पानी इलेक्ट्रोलाइज़र 4,5,6,7,8,9, सुपरकैपेसिटर4, फोटोकैटलिस्ट4, आयन एक्सचेंजर्स10 सहित कई अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है, और कई अन्य विश्लेषणात्मक, विद्युत रासायनिक, और सेंसर अनुप्रयोगों 4,5. Ni(OH)2 में दो प्रमुख क्रिस्टल संरचनाएँ हैं: β-Ni(OH)2 और α-Ni(OH)211. β-नी (ओएच) 2 एक ब्रुसाइट-प्रकार एमजी (ओएच) 2 क्रिस्टल संरचना को गोद लेता है, जबकि α-नी (ओएच) 2 रासायनिक संश्लेषण4 से अवशिष्ट आयनों और पानी के अणुओं के साथ β-नी (ओएच) 2 का एक टर्बोस्ट्रैटिक रूप से स्तरित रूप है। α-नी (ओएच) 2 के भीतर, इंटरकलेटेड अणु निश्चित क्रिस्टलोग्राफिक स्थितियों के भीतर नहीं हैं, लेकिन अभिविन्यास स्वतंत्रता की एक डिग्री है, और नी (ओएच) 2 परतों 4,12 को स्थिर करने वाले इंटरलेयर गोंद के रूप में भी कार्य करते हैं। α-नी (ओएच) 2 के इंटरलेयर आयन औसत नी ऑक्सीकरण स्थिति13 को प्रभावित करते हैं और बैटरी 2,13,14,15, संधारित्र16, और पानी-इलेक्ट्रोलिसिस अनुप्रयोगों17,18 की ओर α-नी (ओएच) 2 (β-नी (ओएच) 2 के सापेक्ष) के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं।

Ni(OH)2 को रासायनिक वर्षा, विद्युत रासायनिक वर्षा, सोल-जेल संश्लेषण, या हाइड्रोथर्मल/सॉल्वोथर्मल संश्लेषण4 द्वारा संश्लेषित किया जा सकता है। रासायनिक वर्षा और हाइड्रोथर्मल संश्लेषण मार्गों का व्यापक रूप से नी (ओएच) 2 के उत्पादन में उपयोग किया जाता है, और विभिन्न सिंथेटिक स्थितियां आकृति विज्ञान, क्रिस्टल संरचना और विद्युत रासायनिक प्रदर्शन को बदल देती हैं। Ni(OH)2 की रासायनिक वर्षा में एक जलीय निकल (II) नमक के घोल में एक अत्यधिक बुनियादी घोल जोड़ना शामिल है। अवक्षेप के चरण और क्रिस्टलीयता तापमान और पहचान और निकल (द्वितीय) नमक और4 इस्तेमाल किया बुनियादी समाधान की सांद्रता द्वारा निर्धारित कर रहे हैं.

नी (ओएच) 2 के हाइड्रोथर्मल संश्लेषण में एक दबाव प्रतिक्रिया शीशी में अग्रदूत निकल (द्वितीय) नमक के जलीय घोल को गर्म करना शामिल है, जिससे प्रतिक्रिया परिवेश के दबाव4 के तहत सामान्य रूप से अनुमत से उच्च तापमान पर आगे बढ़ सकती है। हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रिया की स्थिति आमतौर पर β-नी (ओएच) 2 के पक्ष में होती है, लेकिन α-नी (ओएच) 2 को (i) एक इंटरकलेशन एजेंट का उपयोग करके, (ii) एक गैर-जलीय घोल (सॉल्वोथर्मल संश्लेषण) का उपयोग करके, (iii) प्रतिक्रिया तापमान को कम करना, या (iv) प्रतिक्रिया में यूरिया सहित, जिसके परिणामस्वरूप अमोनिया-इंटरक्लेटेड α-नी (ओएच) 24 होता है। निकल लवण से Ni(OH)2 का हाइड्रोथर्मल संश्लेषण दो-चरणीय प्रक्रिया के माध्यम से होता है जिसमें हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया (समीकरण 1) शामिल होती है जिसके बाद एक ओलेशन संघनन प्रतिक्रिया (समीकरण 2) होती है। 19

[नि(एच2ओ)एन] 2+ + एचएच2ओ ↔ [नी (ओएच) एच (एच2ओ) एन-एच](2-एच)++ एचएच3ओ + (1)

नी-ओएच + नी-ओएच2 नी-ओएच-नी + एच2ओ (2)

माइक्रोवेव रसायन विज्ञान नैनोस्ट्रक्चर्ड सामग्री की एक विस्तृत विविधता के एक-पॉट संश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया गया है और माइक्रोवेव ऊर्जा को गर्मी20 में परिवर्तित करने के लिए एक विशिष्ट अणु या सामग्री की क्षमता पर आधारित है। पारंपरिक हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रियाओं में, रिएक्टर के माध्यम से गर्मी के प्रत्यक्ष अवशोषण द्वारा प्रतिक्रिया शुरू की जाती है। इसके विपरीत, माइक्रोवेव की सहायता प्राप्त हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रियाओं के भीतर, हीटिंग तंत्र एक माइक्रोवेव क्षेत्र में दोलन करने वाले विलायक के द्विध्रुवीय ध्रुवीकरण और स्थानीयकृत आणविक घर्षण20 उत्पन्न करने वाले आयनिक चालन हैं। माइक्रोवेव रसायन प्रतिक्रिया कैनेटीक्स, चयनात्मकता, और रासायनिक प्रतिक्रियाओं20 की उपज को बढ़ा सकता है, जिससे यह नी (ओएच) 2 को संश्लेषित करने के लिए एक स्केलेबल, औद्योगिक रूप से व्यवहार्य विधि के लिए महत्वपूर्ण रुचि बना सकता है।

क्षारीय बैटरी कैथोड के लिए, α-नी (ओएच) 2 चरण β-नी (ओएच) 2 चरण13 की तुलना में बेहतर विद्युत रासायनिक क्षमता प्रदान करता है, और α-नी (ओएच) 2 को संश्लेषित करने के सिंथेटिक तरीके विशेष रुचि रखते हैं। α-नी (ओएच)2 माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त भाटा 21,22, माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त हाइड्रोथर्मल तकनीक23,24, और माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त आधार-उत्प्रेरित वर्षा25 शामिल हैं जो माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त विधियों की एक किस्म द्वारा संश्लेषित किया गया है। प्रतिक्रिया समाधान के भीतर यूरिया का समावेश महत्वपूर्ण रूप से प्रतिक्रिया उपज26, तंत्र26,27, आकृति विज्ञान, और क्रिस्टल संरचना27 को प्रभावित करता है। यूरिया के माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त अपघटन को α-नी (ओएच)227 प्राप्त करने के लिए एक महत्वपूर्ण घटक के रूप में निर्धारित किया गया था। एक एथिलीन ग्लाइकॉल-पानी के घोल में पानी की मात्रा को α-नी (ओएच)2 नैनोशीट्स24 के माइक्रोवेव-असिस्टेड संश्लेषण की आकृति विज्ञान को प्रभावित करने के लिए दिखाया गया है। α-नी (ओएच) 2 की प्रतिक्रिया उपज, जब एक जलीय निकल नाइट्रेट और यूरिया समाधान का उपयोग करके माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त हाइड्रोथर्मल मार्ग द्वारा संश्लेषित किया जाता है, तो समाधान पीएच26 पर निर्भर पाया गया। एच 2ओ, निकल नाइट्रेट और यूरिया के अग्रदूत समाधान का उपयोग करके α-नी (ओएच) 2 नैनोफ्लॉवर संश्लेषित माइक्रोवेव के एक पूर्व अध्ययन में पाया गया कि तापमान (80-120 डिग्री सेल्सियस की सीमा में) एक महत्वपूर्ण कारक नहीं था, बशर्ते प्रतिक्रिया यूरिया हाइड्रोलिसिस तापमान (60 डिग्री सेल्सियस)27से ऊपर आयोजित की जाती है। निकल एसीटेट टेट्राहाइड्रेट, यूरिया और पानी के अग्रदूत समाधान का उपयोग करके नी (ओएच) 2 के माइक्रोवेव संश्लेषण का अध्ययन करने वाले एक हालिया पेपर में पाया गया कि 150 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर, सामग्री में α-नी (ओएच) 2 और β-नी (ओएच) 2 चरण दोनों शामिल हैं, जो इंगित करता है कि तापमान नी (ओएच) 228 के संश्लेषण में एक महत्वपूर्ण पैरामीटर हो सकता है।

माइक्रोवेव-असिस्टेड हाइड्रोथर्मल संश्लेषण का उपयोग उच्च-सतह क्षेत्र α-नी (ओएच) 2 और α-सीओ (ओएच) 2 का उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है, जो धातु नाइट्रेट्स और यूरिया से बना अग्रदूत समाधान का उपयोग करके एथिलीन ग्लाइकॉल/एच2ओ समाधान 12,29,30,31 में भंग हो जाता है। क्षारीय Ni-Zn बैटरी के लिए धातु-प्रतिस्थापित α-Ni(OH)2 कैथोड सामग्री को बड़े प्रारूप वाले माइक्रोवेव रिएक्टर12के लिए डिज़ाइन किए गए स्केल-अप संश्लेषण का उपयोग करके संश्लेषित किया गया था। माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 को β-नी (ओएच) 2 नैनोशीट्स12, ऑक्सीजन विकास प्रतिक्रिया (ओईआर) इलेक्ट्रोकैटलिस्ट29 के लिए निकल-इरिडियम नैनोफ्रेम, और ईंधन कोशिकाओं और पानी इलेक्ट्रोलाइजर्स30 के लिए द्विक्रियाशील ऑक्सीजन इलेक्ट्रोकैटलिस्ट प्राप्त करने के लिए अग्रदूत के रूप में भी इस्तेमाल किया गया था। इस माइक्रोवेव प्रतिक्रिया मार्ग को अम्लीय ओईआरइलेक्ट्रोकैटलिस्ट 31 और द्विक्रियाशील इलेक्ट्रोकैटलिस्ट30 के लिए कोबाल्ट-इरिडियम नैनोफ्रेम के अग्रदूत के रूप में सीओ (ओएच) 2 को संश्लेषित करने के लिए भी संशोधित किया गया है। माइक्रोवेव की सहायता से संश्लेषण भी Fe प्रतिस्थापित α-नी (ओह)2 nanosheets का उत्पादन करने के लिए इस्तेमाल किया गया था, और Fe प्रतिस्थापन अनुपात संरचना और चुंबकीयकरण32 बदल जाता है. हालांकि, α-नी (ओएच) 2 के माइक्रोवेव संश्लेषण के लिए एक चरण-दर-चरण प्रक्रिया और पानी-एथिलीन ग्लाइकॉल समाधान के भीतर अलग-अलग प्रतिक्रिया समय और तापमान क्रिस्टलीय संरचना, सतह क्षेत्र और छिद्र को कैसे प्रभावित करता है, और सामग्री के भीतर इंटरलेयर आयनों का स्थानीय वातावरण पहले रिपोर्ट नहीं किया गया है।

यह प्रोटोकॉल एक तीव्र और स्केलेबल तकनीक का उपयोग करके α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट के उच्च-थ्रूपुट माइक्रोवेव संश्लेषण के लिए प्रक्रियाएं स्थापित करता है। प्रतिक्रिया तापमान और समय के प्रभाव को विविध और स्वस्थानी प्रतिक्रिया निगरानी, स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, ऊर्जा फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी, नाइट्रोजन पोरोसिमेट्री, पाउडर एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी), और फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी में उपयोग करके मूल्यांकन किया गया था ताकि प्रतिक्रिया उपज, आकृति विज्ञान, क्रिस्टल संरचना, ताकना आकार, और α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट के स्थानीय समन्वय वातावरण पर सिंथेटिक चर के प्रभावों को समझा जा सके।

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Protocol

नोट: माइक्रोवेव संश्लेषण प्रक्रिया का योजनाबद्ध अवलोकन चित्रा 1 में प्रस्तुत किया गया है।

1. α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट्स का माइक्रोवेव संश्लेषण

  1. अग्रदूत समाधान की तैयारी
    1. अल्ट्राप्योर पानी (≥18 एमΩ-सेमी) के 15 एमएल और एथिलीन ग्लाइकॉल के 105 एमएल को मिलाकर अग्रदूत समाधान तैयार करें। 5.0 ग्राम Ni(NO3)2 जोड़ें · 6 एच2ओ और 4.1 ग्राम यूरिया समाधान और कवर के लिए।
    2. अग्रदूत समाधान को बर्फ और पानी से भरे स्नान सोनिकेटर (40 kHz आवृत्ति) में रखें और 30 मिनट के लिए पूर्ण शक्ति (कोई नाड़ी) पर सोनिकेट करें।
  2. अग्रदूत समाधान की माइक्रोवेव प्रतिक्रिया
    1. अग्रदूत समाधान के 20 एमएल को माइक्रोवेव-प्रतिक्रिया शीशी में पॉलीटेट्राफ्लोराइथिलीन (पीटीएफई) हलचल बार के साथ स्थानांतरित करें और पीटीएफई लाइनर के साथ लॉकिंग ढक्कन के साथ प्रतिक्रिया पोत को सील करें।
    2. माइक्रोवेव रिएक्टर को जितनी जल्दी हो सके (120 या 180 डिग्री सेल्सियस तक) सेटिंग का उपयोग करके प्रतिक्रिया तापमान पर गर्म करने के लिए प्रोग्राम करें और उस तापमान पर 13-30 मिनट के लिए पकड़ें।
      नोट: जितनी जल्दी हो सके हीटिंग एक माइक्रोवेव सेटिंग है जो वांछित तापमान प्राप्त होने तक अधिकतम माइक्रोवेव पावर लागू करती है; प्रतिक्रिया तापमान को बनाए रखने के लिए इसके बाद परिवर्तनीय शक्ति लागू करें।
    3. प्रतिक्रिया पूरी होने के बाद, संपीड़ित हवा के साथ प्रतिक्रिया कक्ष को वेंट करें जब तक कि समाधान तापमान 55 डिग्री सेल्सियस तक न पहुंच जाए। प्रतिक्रिया का प्रत्येक चरण (हीटिंग, होल्डिंग और कूलिंग) 600 आरपीएम पर चुंबकीय सरगर्मी के तहत किया जाता है।
  3. सेंट्रीफ्यूजेशन और माइक्रोवेव-रिएक्शन अवक्षेप को धोना।
    1. प्रतिक्रिया के बाद के समाधान को 50 एमएल अपकेंद्रित्र ट्यूबों में स्थानांतरित करें। कमरे के तापमान पर 4 मिनट के लिए 6,000 आरपीएम/6,198 आरसीएफ पर प्रतिक्रिया के बाद के समाधान को अपकेंद्रित्र करें और फिर सतह पर तैरनेवाला छानना।
    2. नैनोशीट्स को फिर से निलंबित करने के लिए अल्ट्राप्योर पानी के 25 एमएल जोड़ें। समान परिस्थितियों का उपयोग करके अपकेंद्रित्र और फिर सतह पर तैरनेवाला को छानना।
    3. पानी का उपयोग करके कुल पांच बार धोने, अपकेंद्रित्र और डिकंटिंग चरणों को दोहराएं, और फिर इथेनॉल का उपयोग करके तीन बार।
      नोट: इथेनॉल के स्थान पर आइसोप्रोपिल अल्कोहल का भी उपयोग किया जा सकता है।
  4. माइक्रोवेव प्रतिक्रिया से पहले और बाद में पीएच को मापना
    1. माइक्रोवेव प्रतिक्रिया शुरू करने से पहले अग्रदूत समाधान के पीएच को मापें और पहले सेंट्रीफ्यूजेशन के तुरंत बाद सतह पर तैरनेवाला के पीएच को मापें।
  5. नमूना सुखाने
    1. संभावित संदूषण को कम करने के लिए एक छिद्रपूर्ण कवर के रूप में कार्य करने के लिए एक ऊतक या कागज तौलिया के साथ अपकेंद्रित्र ट्यूबों को कवर करें और उन्हें परिवेश के वातावरण के तहत 21 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर एक नमूना ओवन में सुखाएं।
      नोट: सुखाने का समय और स्थितियां सापेक्ष तीव्रता और (XRD) चोटियों के 2θ° मानों को प्रभावित कर सकती हैं, जैसा कि प्रतिनिधि परिणामों में वर्णित है।

2. सामग्री लक्षण वर्णन और विश्लेषण

  1. स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) और ऊर्जा-फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) का उपयोग करके आकृति विज्ञान और संरचना की विशेषता
    1. पानी के स्नान सोनिकेटर का उपयोग करके इथेनॉल के 1 एमएल में नी (ओएच) 2 पाउडर की एक छोटी राशि को निलंबित करके एसईएम और ईडीएस विश्लेषण के लिए नमूने तैयार करें।
    2. ड्रॉप एक एसईएम स्टब पर नी (ओएच) 2/इथेनॉल मिश्रण डाली और 70 डिग्री सेल्सियस पर एक नमूना ओवन में एसईएम स्टब रखकर इथेनॉल को वाष्पित करें।
    3. SEM माइक्रोग्राफ और EDS स्पेक्ट्रा लीजिए। 6.5 kX, 25 kX, और 100 kX के आवर्धन पर 10 kV के त्वरित वोल्टेज और 0.34 nA की धारा का उपयोग करके SEM छवियों को एकत्र करें। 10 केवी के त्वरित वोल्टेज, 1.4 एनए की धारा और 25 केएक्स के आवर्धन का उपयोग करके चयनित क्षेत्रों पर ईडीएस स्पेक्ट्रा एकत्र करें।
  2. नाइट्रोजन physisorption porosimetry का उपयोग करके सतह क्षेत्र और सरंध्रता का विश्लेषण करना
    1. नमूना ट्यूब में Ni(OH)2 के 25 मिलीग्राम जोड़कर विश्लेषण के लिए नमूने तैयार करें। विश्लेषण से पहले 16 घंटे के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर वैक्यूम के तहत एक पूर्व विश्लेषण degassing और सुखाने की प्रक्रिया करें।
    2. नाइट्रोजन (एन2) समताप रेखाओं को इकट्ठा करने के लिए नमूना ट्यूब को degassing पोर्ट से विश्लेषण बंदरगाह में स्थानांतरित करें।
    3. विशिष्ट सतह क्षेत्र निर्धारित करने के लिए Brunauer-Emmett-Teller (BET) विश्लेषण का उपयोग कर N2 isotherm डेटा का विश्लेषण करें। इंटरनेशनल यूनियन ऑफ प्योर एंड एप्लाइड केमिस्ट्री (IUPAC) पद्धतियों के अनुसार बीईटी विश्लेषण करें33. बीईटी विश्लेषण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट विश्लेषण सॉफ्टवेयर पैकेज को सामग्री की तालिका में शामिल किया गया है।
    4. ताकना मात्रा, ताकना व्यास, और ताकना आकार वितरण प्राप्त करने के लिए बैरेट-जॉयनर-हलेंडा (BJH) विधि का उपयोग करके समताप रेखा की सोखना शाखा का विश्लेषण करें। IUPAC पद्धतियों के अनुसार BJH विश्लेषण करें। बीजेएच विश्लेषण करने के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट विश्लेषण सॉफ्टवेयर पैकेज को सामग्री की तालिका में शामिल किया गया है।
  3. पाउडर एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) का उपयोग करके संरचनात्मक विश्लेषण
    1. शून्य-पृष्ठभूमि पाउडर XRD धारक का नमूना अच्छी तरह से Ni(OH)2 से भरें, यह सुनिश्चित करते हुए कि पाउडर की सतह सपाट है।
    2. 0.01-चरण वृद्धि का उपयोग करके 5°-80° 2θ के बीच CuKα विकिरण स्रोत का उपयोग करके पाउडर एक्स-रे डिफ्रेक्टोग्राम एकत्र करें।
    3. ब्रैग के नियम का उपयोग करके डी-रिक्ति का विश्लेषण करें,
      nλ = 2d sinθ,
      जहाँ n एक पूर्णांक है, λ X-किरणों की तरंग दैर्ध्य है, d d-रिक्ति है, और θ आपतित किरणों और नमूने के बीच का कोण है।
    4. क्रिस्टलीय डोमेन आकार का विश्लेषण करें, डी, Scherrer समीकरण का उपयोग कर,
      Equation 1
      जहाँ Ks Scherrer स्थिरांक है (विश्लेषण के लिए 0.92 का Scherrer स्थिरांक उपयोग किया गया था), λ X-किरणों की तरंग दैर्ध्य है, β2θविवर्तन शिखर की अभिन्न चौड़ाई है, और θ ब्रैग कोण (रेडियन में) है। विश्लेषण के लिए, β 2θको आधी अधिकतम (fwhm) पर पूर्ण चौड़ाई के रूप में लिया गया और 0.939434 के स्थिरांक से गुणा किया गया।
  4. क्षीण कुल परावर्तन-फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एटीआर-एफटीआईआर) का उपयोग करके सामग्री की विशेषता
    1. फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एफटीआईआर) स्पेक्ट्रोमीटर के लिए क्षीण कुल प्रतिबिंब (एटीआर) लगाव से लैस करें।
    2. एक छोटी गोली बनाने के लिए दो ग्लास स्लाइड के बीच नी (ओएच) 2 पाउडर की एक छोटी राशि दबाएं।
    3. सिलिकॉन एटीआर क्रिस्टल पर नी (ओएच) 2 गोली रखें और 400 और 4,000 सेमी -1 के बीच एक एफटीआईआर स्पेक्ट्रम प्राप्त करें। इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रा 4 सेमी -1 संकल्प के साथ 16 व्यक्तिगत स्कैन के औसत का प्रतिनिधित्व करते हैं।

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Representative Results

α-Ni(OH)2 के संश्लेषण पर प्रतिक्रिया तापमान और समय का प्रभाव
प्रतिक्रिया से पहले, अग्रदूत समाधान [नी (नहीं3) 2 · 6 एच2हे, यूरिया, एथिलीन ग्लाइकॉल, और पानी] 4.41 ± 0.10 (चित्रा 2 ए और तालिका 1) के पीएच के साथ एक पारदर्शी हरा रंग है। माइक्रोवेव प्रतिक्रिया का तापमान (या तो 120 डिग्री सेल्सियस या 180 डिग्री सेल्सियस) स्वस्थानी प्रतिक्रिया दबाव और समाधान के रंग को प्रभावित करता है (चित्र 2बी-जी और चित्र 3)। 120 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया के लिए, माइक्रोवेव विकिरण अग्रदूत समाधान को 1 मिनट 30 एस से कम समय में 120 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म करता है। माइक्रोवेव रिएक्टर चर माइक्रोवेव पावर के तहत 13 से 30 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर तापमान रखता है, और फिर पोत को 55 डिग्री सेल्सियस(चित्रा 3ए)को ठंडा करने के लिए 3 मिनट की आवश्यकता होती है। एक बार तापमान लागू होने के बाद, 120 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया मामूली मात्रा में दबाव उत्पन्न करती है, जिससे 9-11.5 साई का अधिकतम प्रतिक्रिया दबाव प्राप्त होता है। समाधान पीएच 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट के बाद 4.41 ± 0.10 ± 0.04 6.75 तक बढ़ जाता है, और 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट के बाद 7.03 ± 0.04 तक बढ़ जाता है।  सेंट्रीफ्यूजेशन हरे सतह पर तैरनेवाला (चित्रा 2 बी-एफ) से अवक्षेपित पाउडर को अलग करता है। बाद में धोने और सुखाने 13 मिनट प्रतिक्रिया समय के लिए 62 ± 12 मिलीग्राम की उपज के साथ एक हरे रंग का पाउडर (चित्रा 2एच) और 120 डिग्री सेल्सियस (तालिका 1) पर 30 मिनट प्रतिक्रिया समय के लिए 131 ± 24 मिलीग्राम की उपज उपज है।

120 डिग्री सेल्सियस से 180 डिग्री सेल्सियस तक प्रतिक्रिया तापमान बढ़ाने से महत्वपूर्ण दबाव संचय (चित्रा 3 ए बनाम 3 बी) होता है, प्रतिक्रिया के बाद सतह पर तैरनेवाला रंग (चित्रा 2 बी बनाम 2 डी और 2 ई बनाम 2 जी) में परिवर्तन, और 13 और 30 मिनट प्रतिक्रिया समय (तालिका 1) दोनों पर 120 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रियाओं के सापेक्ष प्रतिक्रिया उपज बढ़ जाती है). 180 डिग्री सेल्सियस की प्रतिक्रिया तापमान का उपयोग करते हुए, प्रतिक्रिया 138 साई की अधिकतम प्रतिक्रिया दबाव प्राप्त करती है, जो प्रतिक्रिया की समाप्ति (चित्रा 3ए)के साथ मेल खाती है। दबाव में विभिन्न घटकों के सापेक्ष योगदान को निर्धारित करने के लिए, पानी, एथिलीन ग्लाइकॉल और यूरिया के समाधान और पानी और एथिलीन ग्लाइकॉल के समाधान का उपयोग करके उत्पन्न दबाव के मूल अग्रदूत समाधान का उपयोग करके उत्पन्न दबाव की तुलना की जाती है (अनुपूरक चित्रा 1)। 180 डिग्री सेल्सियस (पूरक चित्रा 1) की प्रतिक्रिया तापमान का उपयोग करके प्रत्येक समाधान से उत्पन्न दबाव की तुलना से, यूरिया वाले समाधान उच्च दबाव में परिणाम देते हैं। पानी और एथिलीन ग्लाइकॉल का समाधान पूरे प्रतिक्रिया में एक स्थिर 50 साई का योगदान देता है; पानी, एथिलीन ग्लाइकॉल और यूरिया के समाधान में निकल नाइट्रेट, पानी, एथिलीन ग्लाइकॉल और यूरिया के समाधान के समान दबाव प्रोफ़ाइल है ( पूरक चित्रा 1 में लाल और नीले रंग में देखा गया)। यूरिया युक्त समाधानों के भीतर 180 डिग्री सेल्सियस पर उत्पन्न अतिरिक्त दबाव को यूरिया27 के गैस-चरण सीओ2 और एनएच3 (जैसा कि निम्नलिखित अनुभाग में चर्चा की गई है) में वाष्प-चरण एच2ओ के साथ अपघटन के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है समग्र दबाव में योगदान।

120 डिग्री सेल्सियस माइक्रोवेव प्रतिक्रिया (चित्रा 2ई, एफ) के बाद हरे रंग के सतह पर तैरनेवाला के विपरीत, 180 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया के बाद प्राप्त सतह पर तैरनेवाला नीला(चित्रा 2जी)है। प्रतिक्रिया की सीटू तस्वीरों में प्रतिक्रिया ठंडा होने के बाद नीले रंग को दिखाती है (चित्र 3C), और समाधान माइक्रोवेव हीटिंग के अंत ( चित्र 3B में बॉक्स #2) और शीतलन चरण के अंत के बीच एक क्रमिक रंग परिवर्तन से गुजरता है (चित्र 3B में बॉक्स #3)। 180 डिग्री सेल्सियस के समाधान के माइक्रोवेव प्रेरित हीटिंग से पहले, निकल नमक समाधान को एक पारदर्शी हरा रंग देता है (चित्रा 3 सी, चित्रा 3 बी में ब्लॉक बॉक्स # 1 के अनुरूप)। प्रतिक्रिया समाप्त होने पर समाधान धुंधला पीला हरा होता है (चित्रा 3 बी, चित्रा 3 बी में ब्लॉक बॉक्स # 2), लेकिन जैसे ही प्रतिक्रिया ठंडा हो जाती है और दबाव कम हो जाता है, समाधान धुंधले हरे रंग से नीले रंग में बदल जाता है (चित्रा 3 सी, चित्रा 3 बी में ब्लॉक बॉक्स # 3)। 180 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया के सतह पर तैरनेवाला में 8.91 ± 0.03 का पीएच होता है, जो 120 डिग्री सेल्सियस सतह पर तैरनेवाला (13 मिनट प्रतिक्रिया समय के लिए 6.75 ± 0.04 का पीएच) के सापेक्ष बहुत अधिक है, और उच्च पीएच यूरिया अपघटन के उच्च स्तर से संबंधित हो सकता है। 13 मिनट के लिए 180 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया के सेंट्रीफ्यूजेशन, धुलाई और सुखाने से हरे रंग का पाउडर (पाउडर के साथ नीले रंग का कोई संकेत नहीं देखा गया) 202 ± 4 मिलीग्राम की उपज के साथ, जो पैदावार से बहुत अधिक है 120 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रियाओं (तालिका 1)।

α-नी (ओएच) 2 की आकृति विज्ञान, संरचना और सरंध्रता पर प्रतिक्रिया समय और तापमान का प्रभाव
स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ (एसईएम) संश्लेषित नी (ओएच) 2 सामग्री अल्ट्राथिन नैनोशीट्स के समुच्चय (~ 1-5 माइक्रोन व्यास) से बना है जो बेतरतीब ढंग से इंटरवॉवन (चित्रा 4) हैं। एसईएम छवियों से, प्रतिक्रिया तापमान समग्र कुल के भीतर व्यक्तिगत नैनोशीट्स के सापेक्ष दिशात्मक विकास को प्रभावित करता है। 180 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रियाओं (चित्रा 4 डी-एफ) के लिए, कुल के भीतर एक व्यक्तिगत नैनोशीट 120 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रियाओं (चित्रा 4 ए-सी और 4 जी-एल) के सापेक्ष चादरों के लंबे पार्श्व आयाम प्रतीत होते हैं। 120 डिग्री सेल्सियस (चित्रा 4 जी) पर 30 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस (चित्रा 4 ए) पर 13 मिन के लिए संश्लेषित सामग्री की एसईएम छवियों की तुलना से पता चलता है कि 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 से 30 मिनट तक प्रतिक्रिया समय बढ़ाने से पता चलता है कि न्यूक्लियेटेड नैनोस्ट्रक्चर समुच्चय का आकार ~ 3 माइक्रोन से ~ 5 माइक्रोन तक बढ़ जाता है। इसी तरह की सामग्रियों के उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी इमेजिंग से पता चला है कि नैनोशीट्स में कई क्रिस्टलीय होते हैं, बजाय एक नैनोशीट के एकल क्रिस्टल32 होने के बजाय। इस संश्लेषण मार्ग की एक भिन्नता से उत्पादित सामग्री के विश्लेषण से यह भी पता चला है कि nanosheets 2-12 एनएम मोटी और व्यक्तिगत (001) परतों12 के संगठित ढेर से बना है.

ऊर्जा फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस) सभी संश्लेषित नैनोशीट सामग्री(चित्रा 5)के भीतर निकल, ऑक्सीजन, कार्बन और नाइट्रोजन का एक समान वितरण दिखाता है। संरचना में शामिल कार्बन और नाइट्रोजन प्रतिक्रिया अग्रदूतों (जैसे, नाइट्रेट्स, यूरिया, और एथिलीन ग्लाइकॉल) और डेरिवेटिव 4,12,35 से अवशिष्ट यौगिकों से उत्पन्न होते हैं, और संरचना के भीतर इन यौगिकों की उपस्थिति एफटीआईआर विश्लेषण द्वारा समर्थित है, जैसा कि नीचे वर्णित है।

नाइट्रोजन physisorption विश्लेषण से, माइक्रोवेव-संश्लेषित Ni(OH)2 नैनोशीट्स में 61-85 m2·g-1, 21-35 Å के औसत छिद्र वॉल्यूम, और 0.426-0.630 सेमी3·g-1 (तालिका 1) के संचयी छिद्र वॉल्यूम हैं। आइसोथर्म प्रकार और ताकना चौड़ाई33 के लिए आईयूपीएसी नामकरण का उपयोग करते हुए, इस प्रोटोकॉल का उपयोग करके बनाई गई सामग्री सभी प्रकार IV आइसोथर्म प्रदर्शित करती है, और ताकना आकार वितरण भूखंडों से पता चलता है कि मुक्त मात्रा का अधिकांश हिस्सा मेसोपोर (ताकना चौड़ाई 2-50 एनएम) और मैक्रोपोर (ताकना चौड़ाई >50 एनएम) पर्वतमाला (पूरक चित्रा 2)। इन मापों से, विभिन्न प्रतिक्रिया तापमान और समय पर तैयार सामग्री की सतह क्षेत्रों एक दूसरे की प्रयोगात्मक त्रुटि के भीतर हैं. 13 मिनट के लिए 180 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषित सामग्री में 13 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषित सामग्री की तुलना में एक छोटा छिद्र व्यास और ताकना मात्रा होती है, यह दर्शाता है कि प्रतिक्रिया तापमान सामग्री की छिद्र को प्रभावित करता है।

α-Ni(OH)2 की संरचना पर प्रतिक्रिया समय और तापमान का प्रभाव
सभी तीन माइक्रोवेव-संश्लेषित नमूनों के एक्सआरडी पैटर्न α-नी (ओएच)2की विशेषता चोटियों को दिखाते हैं। कई विवर्तन चोटियों को 11-12°, 23-24°, 33°, 36°, और 59° 2θ की सीमा में देखा जाता है, जो क्रमशः (001), (002), (110), (111), और (300) α-नी (OH)2 के विमानों के अनुरूप है। 13 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषित सामग्री के एक्स-रे डिफ्रेक्टोग्राम के भीतर देखी गई चोटी की स्थिति हाइड्रेटेड α-नी (ओएच) 2 संरचना (आईसीडीडी कार्ड संख्या 00-038-0715) से मेल खाती है। 120 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया के लिए, संश्लेषण समय 13 से 30 मिनट तक बढ़ जाती है, (001) प्रतिबिंब की स्थिति कम 2θ मान (चित्रा 6 बी) में बदल जाती है, इंटरलेयर गैलरी ऊंचाई को 7.85 से 7.94 ए तक बढ़ा देती है। 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 से 30 मिनट तक संश्लेषण समय बढ़ाना प्रयोगात्मक त्रुटि (तालिका 2 में सारांशित परिणाम) से परे (001) या (110) दिशाओं में क्रिस्टलीय डोमेन आकार को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं करता है।

प्रतिक्रिया समय के प्रभावों के अलावा, माइक्रोवेव प्रतिक्रिया तापमान को 120 डिग्री सेल्सियस से 180 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाने से α-नी (ओएच) 2 क्रिस्टल संरचना में परिवर्तन भी होता है। ऊंचे तापमान पर, (001) विवर्तन विमान एक उच्च 2θ मान(चित्रा 6बी)में बदल जाता है, इंटरलेयर गैलरी की ऊंचाई को 7.85 से 7.36 ए तक छोटा कर देता है और जिसके परिणामस्वरूप एक संकरा (002) शिखर होता है, जो इंटरलेयर क्षेत्र(चित्रा 6ए)के भीतर उच्च डिग्री के आदेश का संकेत देता है। 180 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 का (001) विवर्तन विमान हाइड्रेटेड α-नी (ओएच) 2 (आईसीडीडी कार्ड नंबर 00-038-0715) और एक नाइट्रेटेड α-नी (ओएच) 2 (आईसीडीडी कार्ड नंबर 00-022-0752) के बीच की स्थिति में होता है, और इसलिए संरचना हाइड्रेटेड / नाइट्रेटेड α-नी (ओएच) 2 (चित्रा 6 बी) के अनुरूप है। जैसा कि पूर्व कार्य इंगित करता है कि α-नी (ओएच) 2 में (001) प्रतिबिंबों की चरम स्थिति सुखाने की स्थिति36 पर निर्भर है, वही सुखाने की स्थिति (70 डिग्री सेल्सियस, 21 घंटे, परिवेश वातावरण) नमूनों पर लागू की गई थी (001) चोटी की स्थिति पर सुखाने की स्थिति के संभावित प्रभाव से बचने के लिए। तुलना के लिए, अन्य सुखाने की स्थिति के प्रभाव का भी मूल्यांकन किया गया था। परिवेशी वातावरण या वैक्यूम के तहत 16 घंटे की सुखाने की स्थिति के परिणामस्वरूप (001) डी-स्पेसिंग परिवेश के वातावरण के तहत 21 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस की हमारी मानक सुखाने की स्थिति की प्रयोगात्मक त्रुटि के भीतर हुई (पूरक चित्रा 3बी)। परिवेशी वायुमंडल के तहत 24 घंटे के लंबे सुखाने के समय का उपयोग करने से (001) डी-रिक्ति होती है जो प्रयोगात्मक त्रुटि से थोड़ा परे है; हालांकि, विभिन्न प्रतिक्रिया स्थितियों (तालिका 2) का उपयोग करने से (001) प्रतिबिंब के डी-रिक्ति में बदलाव विभिन्न सुखाने की स्थिति(पूरक चित्रा 3बी)की प्रयोगात्मक त्रुटि से परे हैं।

नैनोशीट आकृति विज्ञान के परिणामस्वरूप (001) और (110) विमानों से बना क्रिस्टलीय डोमेन के काफी अलग आकार होते हैं, जो α-नी (ओएच) 2 क्रिस्टल संरचना(चित्रा 6सी)के भीतर ऑर्थोगोनल विमान होते हैं। (001) विमान Ni(OH)2 परतों के क्रम से उत्पन्न होते हैं, जबकि (110) विमान नैनोशीट के तल के भीतर परमाणुओं के क्रम से उत्पन्न होते हैं। 120 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 सामग्री के लिए, 4.5 एनएम (001) और 12.9 एनएम (110) के क्रिस्टलीय डोमेन आकार एसईएम छवियों के अनुरूप हैं जो शीट की मोटाई के सापेक्ष शीट्स के बड़े पार्श्व आयाम दिखाते हैं (चित्रा 4)। 13 मिन के लिए 120 डिग्री सेल्सियस और 180 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 की तुलना में, 180 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषित सामग्री में 6.6 एनएम (001) और 15.2 एनएम (110) के बड़े डोमेन आकार हैं 120 डिग्री सेल्सियस (तालिका 2) पर प्राप्त मूल्यों के सापेक्ष, जो एसईएम माइक्रोस्कोपी के अनुरूप है जो 120 डिग्री सेल्सियस सामग्री (चित्रा 4) के सापेक्ष कुल के भीतर बड़े और चापलूसी नैनोशीट्स दिखाता है). उच्च तापमान पर संश्लेषित सामग्री में एक बड़ा डोमेन आकार होता है, जो नाइट्रोजन भौतिक विश्लेषण (तालिका 1) से छोटे छिद्र व्यास और ताकना मात्रा के अनुरूप होता है।

400-4,000 सेमी-1 क्षेत्र (चित्रा 7 ए और तालिका 2) में माइक्रोवेव-संश्लेषित नैनोशीट्स के एटीआर-एफटीआईआर स्पेक्ट्रा 400-800 सेमी-1 के बीच एक नी-ओ जाली मोड35, लिगैंड और संरचनात्मक अणुओंसे मोड 35 800-2,000 सेमी -1 के बीच, साइनेट बैंड31 2,000 और 2,500 सेमी -1 के बीच, और α-ओएच जाली मोड35 3,500 और 3,800 सेमी -1 के बीच. पूरक आंकड़ों में शामिल नी-ओ जाली मोड (पूरक चित्रा 4 ए), साइनेट मोड (पूरक चित्रा 4 बी), और α-ओएच जाली मोड (पूरक चित्रा 4 सी) के विस्तारित क्षेत्र हैं। विभिन्न प्रतिक्रिया स्थितियों और पूर्व अध्ययनों से पीक असाइनमेंट के दौरान तैयार की गई सामग्रियों के लिए प्रायोगिक तरंग संख्याओं को पूरक तालिका 1 में शामिल किया गया है। एफटीआईआर स्पेक्ट्रा (चित्रा 6बी) के क्षेत्र-लेबल वाले लिगैंड और संरचनात्मक अणुओं के भीतर, सभी नमूने दो अलग-अलग नाइट्रेट कंपन मोड, एक बाध्य नाइट्रेट, ν3 (कोई3-), और एक मुक्त नाइट्रेट, ν3 (मुक्त नहीं3-), निकल नाइट्रेट्स समाधान12,35 से संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 के बीच एक समानता दिखाते हैं। सभी तीन नमूने यूरिया-व्युत्पन्न साइनेट्स, νs(C-O-CN)/ΝS(OCN-)12,31 और मुक्त पानी से झुकने वाले मोड, δ s(H-O-H)35से उत्पन्न कंपन स्ट्रेचिंग मोड दिखातेहैं। ν(C-O) मोड को α-Ni(OH)2 सामग्री31 के भीतर कार्बोनेट के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट से 30 मिनट तक प्रतिक्रिया समय बढ़ाने से ν(C-O) मोड की सापेक्ष तीव्रता कम हो जाती है, जो समर्थन करता है कि लंबे समय तक प्रतिक्रिया समय सामग्री के भीतर कार्बोनेट के समावेश को प्रभावित करता है, इंटरलेयर क्षेत्र को प्रभावित करता है4.

120 डिग्री सेल्सियस से 180 डिग्री सेल्सियस तक प्रतिक्रिया तापमान बढ़ाने से साइनेट, नाइट्रेट, हाइड्रॉक्सिल और पानी के कंपन मोड(चित्रा 7बी)की आवृत्तियों और सापेक्ष तीव्रता में बदलाव आता है। 180 डिग्री सेल्सियस के उच्च प्रतिक्रिया तापमान पर, 13 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस और 180 डिग्री सेल्सियस पर सामग्री की तुलना करते हुए, δ (α-ओएच) मोड की आवृत्ति एक उच्च तरंग संख्या ( चित्रा 7 बी के हरे रंग पर प्रकाश डाला क्षेत्र) में बदल जाती है, जो नी-केंद्र के लिए समन्वित -ओएच के स्थानीय संभावित ऊर्जा वातावरण में बदलाव का संकेत देती है। प्रतिक्रिया तापमान साइनेट, नाइट्रेट और मुक्त जल मोड की सापेक्ष तीव्रता को भी बदलता है। 180 डिग्री सेल्सियस और 120 डिग्री सेल्सियस तक गर्म नमूनों के स्पेक्ट्रा की तुलना से पता चलता है कि ν3 (कोई3-) मोड ( चित्रा 7 बी के ग्रे हाइलाइट किए गए क्षेत्र) के सापेक्ष, ν (सी-ओ-सीएन) मोड की तीव्रता ( चित्रा 7 बी का लाल इनसेट) और δ (एचओएच, मुक्त) मोड ( चित्रा 7 बी का नीला इनसेट) 120 डिग्री सेल्सियस सामग्री की तुलना में 180 डिग्री सेल्सियस सामग्री के भीतर कम है। इसके अलावा, नाइट्रेट मोड की सापेक्ष तीव्रता, ν3 (NO3-) और ν3 (NO3-, मुक्त), δ (H-O-H, मुक्त) मोड की तुलना में ऊंचा प्रतिक्रिया तापमान पर अधिक है। ऊंचा प्रतिक्रिया तापमान पर δ (एचओएच, मुक्त) मोड की तुलना में नाइट्रेट मोड की सापेक्ष तीव्रता में वृद्धि एक्सआरडी विश्लेषण का समर्थन करती है कि 120 से 180 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ती प्रतिक्रिया तापमान के परिणामस्वरूप सामग्री को हाइड्रेटेड-नाइट्रेटेड α-नी (ओएच) 2 के रूप में व्यक्त किया जा रहा है। 2,000 और 2,500 सेमी-1 के बीच होने वाली साइनेट मोड का शिखर आकार भी प्रतिक्रिया तापमान(पूरक चित्रा 4बी) में ऊंचाई के साथ बदलता है, जहां नमूनों में दो बैंड प्रतीत होते हैं। साइनेट मोड क्षेत्र में, 180 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किए गए नमूने में 120 डिग्री सेल्सियस नमूनों की तुलना में उच्च आवृत्ति शिखर की एक अलग सापेक्ष तीव्रता होती है।

आवृत्ति और सापेक्ष तीव्रता में देखे गए परिवर्तन इन सामग्रियों के स्थानीय संभावित ऊर्जा वातावरण में एक प्रतिक्रिया तापमान और समय परिवर्तन का संकेत देते हैं, और इन सामग्रियों के भीतर इन कंपन मोड की आवृत्ति-संरचना सहसंबंधों को और स्थापित करने के लिए अतिरिक्त विश्लेषण की आवश्यकता है।

Figure 1
चित्रा 1: α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट संश्लेषण का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। प्रक्रिया एक शेयर समाधान के 20 एमएल aliquots इस्तेमाल (नी (नहीं) 3 · 6 एच2हे, यूरिया, एथिलीन ग्लाइकॉल, और एच2हे) चर प्रतिक्रिया समय (13 या 30 मिनट) और तापमान (120 या 180 डिग्री सेल्सियस) के तहत माइक्रोवेव α-नी (ओह) 2 नैनोशीट्स उत्पादन. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: निकल नाइट्रेट, यूरिया, एथिलीन ग्लाइकॉल, और पानी से बना माइक्रोवेव प्रतिक्रिया समाधान के चित्र। (ए) माइक्रोवेव विकिरण से पहले; माइक्रोवेव विकिरण के बाद (बी) 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, (सी) 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट, और (डी) 180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट। पहले सेंट्रीफ्यूजेशन के बाद नमूनों की तस्वीरें [जो नी (ओएच) 2 को किसी भी अनियंत्रित निकल नाइट्रेट, यूरिया, एथिलीन ग्लाइकॉल और पानी से अलग करती है]: (ई) 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, (एफ) 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट, और (जी) 180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट। (एच) 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट का उपयोग करके संश्लेषित सामग्री के धोए और सूखे पाउडर, 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट, और 180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: निकल नाइट्रेट, यूरिया, एथिलीन ग्लाइकॉल और पानी से बने समाधानों के माइक्रोवेव प्रतिक्रियाओं का समय, तापमान और दबाव प्रोफाइल। माइक्रोवेव के दबाव पर प्रतिक्रिया समय के प्रभाव ने 13 और 30 मिनट के लिए (ए) 120 डिग्री सेल्सियस और 13 मिनट के लिए (बी) 180 डिग्री सेल्सियस पर नी (ओएच) 2 को संश्लेषित किया। गुलाबी इनसेट 1-3 इंच (बी) (सी) में प्रतिक्रिया की सीटू प्रतिक्रिया तस्वीरों के अनुरूप है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: विभिन्न आवर्धन पर माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ स्कैनिंग। (एसी) 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, (डीएफ) 180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, और (जीएल) 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट के भीतर निकल (नी), ऑक्सीजन (ओ), कार्बन (सी), और नाइट्रोजन (एन) की ऊर्जा फैलाने वाली एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपिक मौलिक मानचित्रण। (एई) 120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, (एफजे) 180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, और (केओ) 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्रा 6: माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट्स के एक्स-रे विवर्तन पैटर्न विभिन्न प्रतिक्रिया स्थितियों (120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, 180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, और 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट) के तहत तैयार किए गए। (ए) 5 ° -80 ° 2 क्षेत्रों के बीच पाउडर XRD पैटर्न। (बी) 10-14 ° 2 क्षेत्रों में डिफ्रेक्टोग्राम का एक विस्तारित क्षेत्र α-नी (ओएच) 2 के (001) विमान को दर्शाता है। (सी) एक मॉडल α-नी (ओएच) 2 क्रिस्टल संरचना की तुलना माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट्स के लिए एक क्रिस्टल संरचना37 का उपयोग करके बनाई गई। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्रा 7: माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट के क्षीण कुल परावर्तन-फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एटीआर-एफटीआईआर) स्पेक्ट्रा। नैनोशीट्स को विभिन्न प्रतिक्रिया स्थितियों (120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, 180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, और 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट) के तहत तैयार किया गया था और एटीआर-एफटीआईआर द्वारा (ए) 400-4,000 सेमी -1 क्षेत्र में विश्लेषण किया गया था, और (बी) 800-2,000 सेमी -1 क्षेत्र में विस्तारित दृश्य; पीक असाइनमेंट दिखाए जाते हैं, और पीक असाइनमेंट का विवरण पाठ में प्रदान किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

प्रतिक्रिया की स्थिति ईडीएस द्वारा निर्धारित मौलिक रचना नाइट्रोजन भौतिक शोषण
प्रतिक्रिया तापमान (°C) प्रतिक्रिया समय (मिनट) प्रतिक्रिया से पहले पीएच प्रतिक्रिया के बाद पीएच यील्ड (मिलीग्राम) परमाणु % Ni परमाणु% O बेट पृष्ठभाग क्षेत्र (m2 • g-1) ताकना व्यास (Å) ताकना मात्रा (सेमी3 • जी -1)
120 डिग्री सेल्सियस 13 4.41 ± 0.10 6.75 ± 0.04 62 ± 12 21 ± 2 68 ± 4 79 ± 19 35 ± 6 0.630 ± 0.093
180 डिग्री सेल्सियस 13 4.41 ± 0.10 8.91 ± 0.03 202 ± 4 21 ± 1 67 ± 4 85 ± 10 21 ± 2 0.497 ± 0.085
120 डिग्री सेल्सियस 30 4.41 ± 0.10 7.03 ± 0.04 131 ± 24 16 ± 4 67 ± 4 61 ± 21 21 ± 14 0.426 ± 0.115

तालिका 1: माइक्रोवेव-संश्लेषित नी (ओएच) 2 की भौतिक रासायनिक विशेषताएं। विशेषताओं को विभिन्न तापमान (120 डिग्री सेल्सियस और 180 डिग्री सेल्सियस) और प्रतिक्रिया समय (13 मिनट और 30 मिनट) पर मापा गया था; पीएच, उपज, ऊर्जा फैलाने वाले एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईडीएस), और नाइट्रोजन पोरोसिमेट्री डेटा से मौलिक संरचना; विवरण पाठ में प्रदान किए गए हैं।

माइक्रोवेव प्रतिक्रिया की स्थिति एक्स-रे विवर्तन इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी
(001) डी-स्पेसिंग (Å) क्रिस्टलीय डोमेन आकार (एनएम) वेवनंबर (सेमी -1)
<001> <110> ν(Ni-O) δ (α-ओएच) ν3(संख्या3-) νs(OCN-)
120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट 7.85 ± 0.17 4.5 ± 1.1 12.9 ± 1.3 617 1487 1289 2183
180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट 7.36 ± 0.03 6.6 ± 0.5 15.2 ± 0.6 620 1493 1291 2207
120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट 7.94 ± 0.02 5.2 ± 0.6 12.0 ± 1.7 620 1498 1294 2197

तालिका 2: माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट का संरचनात्मक विश्लेषण। पाउडर XRD और फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी से प्राप्त विभिन्न प्रतिक्रिया स्थितियों (120 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, 180 डिग्री सेल्सियस पर 13 मिनट, और 120 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट) के तहत तैयार नैनोशीट्स का संरचनात्मक विश्लेषण। विवरण पाठ में प्रदान किए गए हैं।

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Discussion

माइक्रोवेव संश्लेषण नी (ओएच) 2 उत्पन्न करने के लिए एक मार्ग प्रदान करता है जो पारंपरिक हाइड्रोथर्मल तरीकों (4.5 एच के विशिष्ट प्रतिक्रिया समय)38के सापेक्ष काफी तेज (13-30 मिनट प्रतिक्रिया समय) है। अल्ट्राथिन α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट का उत्पादन करने के लिए इस हल्के अम्लीय माइक्रोवेव संश्लेषण मार्ग का उपयोग करते हुए, यह देखा गया है कि प्रतिक्रिया समय और तापमान प्रतिक्रिया पीएच, पैदावार, आकृति विज्ञान, सरंध्रता और परिणामी सामग्री की संरचना को प्रभावित करते हैं। स्वस्थानी प्रतिक्रिया दबाव गेज का उपयोग करना, दबाव संचय की एक बहुत छोटी राशि दोनों 120 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रियाओं के दौरान होती है, लेकिन 120 डिग्री सेल्सियस से 180 डिग्री सेल्सियस तक प्रतिक्रिया तापमान बढ़ाने से पर्याप्त प्रतिक्रिया दबाव उत्पन्न होता है। यूरिया NH3 और CO2 (समीकरण 3) में विघटित हो जाता है और फिर आगे प्रतिक्रिया करता है, CO32- और OH- (समीकरण 4 और 5), और NH4+ और OCN- (समीकरण 6)27 उत्पन्न करता है, OH की निरंतर रिहाई के साथ- हाइड्रोलिसिस और संक्षेपण प्रतिक्रियाओं को चलाता है जिसके परिणामस्वरूप Ni(OH)2 संरचना27 का विकास होता है।

एच2एनसीओएनएच2 (एस) + एच2ओ (एल) Equation 2 2 एनएच3 (जी) + सीओ2 (जी) (3)
एच2ओ (एल) + सीओ2 (जी) → सीओ32 (एक्यू) + 2 एच + (एक्यू) (4)
एनएच3 (जी) + एच2ओ (एल) → एनएच4 + (एक्यू) + ओएच - (एक्यू) (5)
एच2एनसीओएनएच2 (एस) + एच2ओ (एल) → ओसीएन- (एक्यू) + एनएच4+(एक्यू)+ एच2ओ (एल) (6)

180 डिग्री सेल्सियस पर आयोजित प्रतिक्रिया के दौरान उत्पन्न दबाव में वृद्धि यूरिया के अपघटन से उत्पन्न गैस के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। 180 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया भी समाधान के यूरिया-मध्यस्थता क्षारीकरण (पीएच में वृद्धि) के परिणामस्वरूप उच्च पीएच स्तर उत्पन्न करती है। पीएच में वृद्धि और 180 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया की उच्च उत्पाद उपज यूरिया अपघटन की बढ़ी हुई दर से होती है, जो निकल नाइट्रेट हाइड्रोलिसिस और संक्षेपण प्रतिक्रिया को तेज दर से चला सकती है। यह विश्लेषण पूर्व कार्य के अनुरूप है, जिसने यूरिया और एच2ओ में α-नी (ओएच) 2 के संश्लेषण की सूचना दी और पाया कि प्रतिक्रिया उपज पीएच विकास26 पर निर्भर करती है।

प्रतिक्रिया दबाव और उच्च पीएच उच्च प्रतिक्रिया तापमान पर प्राप्त भी नैनोशीट्स के पसंदीदा पार्श्व विकास दिशा को प्रभावित कर सकते हैं, जैसा कि एसईएम छवियों (चित्रा 4) से देखा गया है, 120 डिग्री सेल्सियस संश्लेषित नैनोशीट्स के साथ अधिक बेतरतीब ढंग से अधिक प्लानर संगठन के सापेक्ष आयोजन 180 डिग्री सेल्सियस नैनोशीट्स। 180 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रिया की समाप्ति पर, समाधान का रंग धुंधले हरे से नीले रंग में बदल जाता है क्योंकि दबाव जारी होता है और समाधान में अनियंत्रित नी के साथ अमोनिया की प्रतिक्रिया से संबंधित हो सकता है, जिससे समाधान नीला हो जाता है। हरे-से-नीले रंग में परिवर्तन NH3 के किसी भी शेष अप्रतिक्रियाशील Ni2+ के साथ प्रतिक्रिया करने और एक नीला समाधान बनाने के कारण हो सकता है जिसमें NH3-समन्वित Ni कॉम्प्लेक्स39 हो सकता है। हालांकि, नीले रंग की विशिष्ट प्रजाति की पहचान करने के लिए आगे के विश्लेषण की आवश्यकता है।

सुइब समूह के एक पूर्व अध्ययन ने बताया कि, 80-120 डिग्री सेल्सियस (60 डिग्री सेल्सियस के यूरिया-हाइड्रोलिसिस तापमान से ऊपर) की सीमा में, तापमान माइक्रोवेव-सहायता, यूरिया-मध्यस्थता संश्लेषण में एक महत्वपूर्ण कारक नहीं है α-नी (ओएच)2 नैनोफ्लॉवर27. इस अध्ययन में, उच्च तापमान (120-180 डिग्री सेल्सियस) क्रिस्टलीय संरचना, स्थानीय संरचना और α-नी (ओएच) 2 की सरंध्रता को प्रभावित करते हैं। यह माइक्रोवेव संश्लेषण समाधान विलायक के चयन में उनके से भिन्न होता है; यह प्रतिक्रिया एक मिश्रित एथिलीन ग्लाइकॉल/एच2ओ का उपयोग करती है, जबकि सुइब के समूह ने प्रतिक्रिया माध्यम27 के रूप में इथेनॉल/एच2ओ का उपयोग किया। इस प्रोटोकॉल (61-85 मीटर2·जी-1) का उपयोग करके संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट्स के बीईटी सतह क्षेत्र एनआईसीएल2 (9.2 मीटर2·जी-1)22से संश्लेषित एनआई (ओएच) 2 की तुलना में बड़े हैं, लेकिन इथेनॉल में निकल नाइट्रेट के माइक्रोवेव-असिस्टेड रिफ्लक्स से कम (173 मीटर2·जी-1)21।

जब यूरिया और एच2ओ में संश्लेषित किया जाता है, तो α-नी (ओएच) 2 क्रिस्टलीय वृद्धि अनिसोट्रोपिक होने की सूचना दी जाती है, (001) दिशा में बढ़ रही है [(110) वृद्धि स्थिर रहने के साथ] प्रतिक्रिया समय के साथ और समाधान26 में नी2+ की कमी के साथ समतल करना। इस अध्ययन में, (001) और (110) दिशाओं में क्रिस्टलीय आकार में अधिक परिवर्तन लंबे समय तक प्रतिक्रिया समय से प्रेरित क्रिस्टलीय आकार परिवर्तनों की तुलना में ऊंचे तापमान पर देखा जाता है। धातु-प्रतिस्थापित α-नी (ओएच) 2 के इंटरलेयर क्षेत्र को इलेक्ट्रोस्टैटिक्स और इंटरलेयर12 में अणुओं की आबादी के आधार पर डी-स्पेसिंग और इंटरलेयर ऑर्डरिंग को बदलने के लिए दिखाया गया है। इसी तरह, यह काम डी-स्पेसिंग और इंटरलेयर ऑर्डरिंग में परिवर्तन दिखाता है, लेकिन धातु डोपेंट का उपयोग करने के बजाय ऊंचे प्रतिक्रिया तापमान और लंबे समय तक प्रतिक्रिया समय पर। एक्सआरडी, एफटीआईआर और एसईएम-ईडीएस विश्लेषण से संकेत मिलता है कि 120 डिग्री सेल्सियस के प्रतिक्रिया तापमान का उपयोग करके, α-नी (ओएच) 2 सामग्री की संरचना α-नी (ओएच) 2 का हाइड्रेटेड रूप है, जिसमें एक इंटरलेयर क्षेत्र है जिसमें मुख्य रूप से मुक्त नाइट्रेट, मुक्त पानी के अणु और शुरुआती रसायनों से अन्य अवशिष्ट अणु होते हैं। इंटरलेयर पानी और आयनों के साथ α-नी (ओएच) 2 क्रिस्टल संरचना का प्रतिनिधित्व चित्रा 6 सी में दिखाया गया है, जहां इंटरलेयर पानी और आयन यूनिट सेल में निश्चित क्रिस्टलोग्राफिक पदों के भीतर नहीं हैं, लेकिन एबी-प्लेन4 में घूमने और अनुवाद करने की कुछ स्वतंत्रता है।

जब प्रतिक्रिया तापमान 180 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ जाता है, तो एक छोटा (001) डी-रिक्ति, एक अधिक क्रमबद्ध (002) इंटरलेयर क्षेत्र, और δ (HOH, मुक्त) कंपन मोड की सापेक्ष तीव्रता में कमी देखी जाती है। 180 डिग्री सेल्सियस पर संश्लेषण के दौरान, प्रतिक्रिया में दबाव संचय यूरिया के अपघटन से भाग में होता है, लेकिन एच2ओ के वाष्पीकरण से भी, जिसके परिणामस्वरूप कम समाधान-चरण एच2ओ α-नी (ओएच) 2 संरचना में शामिल करने के लिए उपलब्ध होता है। एक्सआरडी शिखर पदों और नाइट्रेट मोड की सापेक्ष तीव्रता में अंतर, ν3 (NO3-) और ν3 (NO3-, मुक्त), 120 और 180 डिग्री सेल्सियस समर्थन पर δ (H-O-H, मुक्त) मोड की तुलना में जो उच्च तापमान पर प्रतिक्रिया का संचालन संरचना के भीतर नाइट्रेट्स की सापेक्ष एकाग्रता को बढ़ाता है; हालांकि, यह निर्धारित करने के लिए आगे के विश्लेषण की आवश्यकता है कि नाइट्रेट आयन संरचना के भीतर कैसे बातचीत करते हैं। यूरिया अपघटन एक बढ़ी हुई प्रतिक्रिया दबाव में योगदान देता है, 120 डिग्री सेल्सियस प्रतिक्रियाओं के सापेक्ष उच्च प्रतिक्रिया पैदावार की ओर नी (ओएच) 2 हाइड्रोलिसिस और संक्षेपण प्रतिक्रिया को चलाता है। 180 डिग्री सेल्सियस नमूने के νएस (सी-ओ-सीएन) मोड की सापेक्ष तीव्रता 120 डिग्री सेल्सियस नमूने के सापेक्ष घट जाती है, जो इंगित करती है कि यूरिया अपघटन उत्पाद उच्च तापमान पर संरचना के भीतर मौजूद है।

यह काम Ni(OH)2 के माइक्रोवेव-असिस्टेड सिंथेसिस के लिए एक प्रोटोकॉल प्रदान करता है और दिखाता है कि प्रतिक्रिया तापमान और समय α-Ni(OH)2 संरचना और उपज को प्रभावित करते हैं। संरचना को नियंत्रित करने के लिए विभिन्न संश्लेषण स्थितियों का उपयोग बैटरी और अन्य अनुप्रयोगों के लिए बेहतर सामग्री विकसित करने का मार्ग प्रदान करता है। इस प्रतिक्रिया की सीमाओं में प्रोटोकॉल के धुलाई/अपकेंद्रित्र चरणों के परिणामस्वरूप निकल युक्त जलीय कचरे की अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा शामिल है। प्रतिक्रिया उपोत्पाद के रूप में उच्च दबाव और अमोनिया उत्पन्न कर सकती है और खुली हवा में रिएक्टरों या गैर-हवादार कार्यक्षेत्रों के लिए उपयुक्त नहीं हो सकती है। इसके अतिरिक्त, इस प्रोटोकॉल का मूल्यांकन लैब-स्केल माइक्रोवेव रिएक्टर में किया गया था और इसे संश्लेषण मार्ग को किलोग्राम पैमाने पर करने के लिए संशोधित किया जा सकता है।

अनुपूरक चित्रा 1: प्रतिक्रिया तापमान और प्रतिक्रिया दबाव बनाम समय की तुलना। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 2: माइक्रोवेव-संश्लेषित αNi (OH)2 नैनोशीट का विश्लेषण। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 3: α-नी (ओएच) 2 के एक्स-रे विवर्तन पैटर्न पर सुखाने की स्थिति के प्रभाव। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक चित्रा 4: माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट के क्षीण कुल परावर्तन-फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड (एटीआर-एफटीआईआर) स्पेक्ट्रा। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

अनुपूरक तालिका 1: माइक्रोवेव-संश्लेषित α-नी (ओएच) 2 नैनोशीट का एफटीआईआर विश्लेषण। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Disclosures

लेखकों के हितों का कोई टकराव नहीं है।

Acknowledgments

S.W.K. और C.P.R. कृतज्ञतापूर्वक नौसेना अनुसंधान नौसेना अंडरसी रिसर्च प्रोग्राम (अनुदान संख्या N00014-21-1-2072) के कार्यालय से समर्थन स्वीकार करते हैं। SWK नौसेना अनुसंधान उद्यम इंटर्नशिप कार्यक्रम से समर्थन स्वीकार करता है। C.P.R और C.M. प्रतिक्रिया स्थितियों के विश्लेषण के लिए नेशनल साइंस फाउंडेशन पार्टनरशिप फॉर रिसर्च एंड एजुकेशन इन मैटेरियल्स (PREM) सेंटर फॉर इंटेलिजेंट मैटेरियल्स असेंबली, अवार्ड नंबर 2122041 से समर्थन स्वीकार करते हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ATR-FTIR Bruker Tensor II FT-IR spectrometer equipped with a Harrick Scientific SplitPea ATR micro-sampling accessory
Bath sonicator Fisher Scientific 15-337-409 --
Ethanol  VWR analytical AC61509-0040 200 proof
Ethylene Glycol VWR analytical BDH1125-4LP 99% purity
Falcon Centrifuge tubes VWR analytical 21008-940 50 mL
KimWipes VWR analytical 21905-026 --
Lab Quest 2 Vernier  LABQ2 --
Microwave Reactor Anton Parr 165741 Monowave 450
Ni(NO3)2 · 6 H2O Ward's Science 470301-856 Research lab grade
pH Probe Vernier  PH-BTA Calibrated vs standard pH solutions (pH= 4, 7, 11)
Porosemeter Micromeritics  -- ASAP 2020. Analysis software: Micromeritics, version 4.03
Powder x-ray diffactometer Bruker AXS Advanced Poweder x-ray diffractometer; d-spacing, and crystallite size analyses were performed using Highscore XRD software, and crystal structures were created using VESTA 3 software.
Reaction vial Anton Parr 82723 30 mL G30 wideneck, 20 mL max fill capacity
Reaction vial locking lid Anton Parr 161724 G30 Snap Cap
Reaction vial PTFE septum Anton Parr 161728 Wideneck
Scanning electron microscope FEI -- Helios Nanolab 400
Urea VWR analytical BDH4602-500G ACS grade

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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. dO., 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. dA., 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. , Wiley-VCH. (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).

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रसायन विज्ञान अंक 198 प्रतिक्रिया तापमान प्रतिक्रिया समय सामग्री संरचना उत्पाद उपज इंटरलेयर रिक्ति क्रिस्टलीय डोमेन आकार छिद्र व्यास प्रतिक्रिया दबाव माइक्रोवेव-सहायता प्राप्त संश्लेषण मार्ग उच्च-थ्रूपुट प्रक्रिया संक्रमण धातु हाइड्रॉक्साइड ऊर्जा भंडारण उत्प्रेरण सेंसर अनुप्रयोग
निकल हाइड्रॉक्साइड नैनोशीट्स की संरचना पर माइक्रोवेव संश्लेषण की स्थिति का प्रभाव
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