Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Effekt av mikrovågssyntesförhållanden på strukturen hos nanoark av nickelhydroxid

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

Nickelhydroxidnanoark syntetiseras genom en mikrovågsassisterad hydrotermisk reaktion. Detta protokoll visar att reaktionstemperaturen och tiden som används för mikrovågssyntes påverkar reaktionsutbytet, kristallstrukturen och den lokala samordningsmiljön.

Abstract

Ett protokoll för snabb, mikrovågsassisterad hydrotermisk syntes av nanoark av nickelhydroxid under milt sura förhållanden presenteras, och effekten av reaktionstemperatur och reaktionstid på materialets struktur undersöks. Alla studerade reaktionsbetingelser resulterar i aggregat av skiktade α-Ni(OH)2 nanoark. Reaktionstemperaturen och reaktionstiden påverkar starkt materialets struktur och produktutbytet. Syntetisering av α-Ni(OH)2 vid högre temperaturer ökar reaktionsutbytet, sänker mellanskiktsavståndet, ökar den kristallina domänstorleken, förskjuter frekvenserna för anjonvibrationslägen mellan skikten och sänker pordiametern. Längre reaktionstider ökar reaktionsutbytet och resulterar i liknande kristallina domänstorlekar. Övervakning av reaktionstrycket in situ visar att högre tryck erhålls vid högre reaktionstemperaturer. Denna mikrovågsassisterade syntesväg ger en snabb, skalbar process med hög genomströmning som kan tillämpas på syntes och produktion av en mängd olika övergångsmetallhydroxider som används för många energilagring, katalys, sensorer och andra applikationer.

Introduction

Nickelhydroxid, Ni(OH)2, används för många tillämpningar, inklusive nickel-zink- och nickelmetallhydridbatterier 1,2,3,4, bränsleceller4, vattenelektrolysörer 4,5,6,7,8,9, superkondensatorer4, fotokatalysatorer 4, anjonbytare10, och många andra analytiska, elektrokemiska och sensortillämpningar 4,5. Ni(OH)2 har två dominerande kristallstrukturer: β-Ni(OH)2 och α-Ni(OH)211. β-Ni(OH)2 antar en brucit-typ Mg(OH)2 kristallstruktur, medan α-Ni(OH)2 är en turbostratiskt skiktad form av β-Ni(OH)2 interkalerad med kvarvarande anjoner och vattenmolekyler från den kemiska syntesen4. Inom α-Ni(OH)2 är de interkalerade molekylerna inte inom fasta kristallografiska positioner men har en viss orienteringsfrihet och fungerar också som ett mellanskiktslim som stabiliserar Ni(OH)2-skikten 4,12. Mellanskiktsanjonerna av α-Ni(OH)2 påverkar det genomsnittliga Ni-oxidationstillståndet13 och påverkar den elektrokemiska prestandan hos α-Ni(OH)2 (i förhållande till β-Ni(OH)2) mot batteri 2,13,14,15, kondensator16 och vattenelektrolysapplikationer 17,18.

Ni(OH)2 kan syntetiseras genom kemisk utfällning, elektrokemisk utfällning, sol-gelsyntes eller hydrotermisk/solvotermisk syntes4. Kemisk utfällning och hydrotermiska syntesvägar används i stor utsträckning vid produktion av Ni(OH)2, och olika syntetiska förhållanden förändrar morfologin, kristallstrukturen och den elektrokemiska prestandan. Den kemiska utfällningen av Ni(OH)2 innebär att man tillsätter en mycket basisk lösning till en vattenlösning av nickel (II). Fällningens fas och kristallinitet bestäms av temperaturen och identiteten och koncentrationerna av nickel(II)saltet och baslösningen som används4.

Hydrotermisk syntes av Ni(OH)2 innebär upphettning av en vattenlösning av prekursornickel (II)-salt i en trycksatt reaktionsflaska, vilket gör att reaktionen kan fortsätta vid högre temperaturer än vad som normalt tillåts under omgivningstryck4. Hydrotermiska reaktionsförhållanden gynnar vanligtvis β-Ni(OH)2, men α-Ni(OH)2 kan syntetiseras genom att (i) använda ett interkalationsmedel, (ii) använda en icke-vattenlösning (solvotermisk syntes), (iii) sänka reaktionstemperaturen, eller (iv) inkludera urea i reaktionen, vilket resulterar i ammoniakinterkalerad α-Ni(OH)24. Den hydrotermala syntesen av Ni(OH)2 från nickelsalter sker via en tvåstegsprocess som involverar en hydrolysreaktion (ekvation 1) följt av en olationskondensationsreaktion (ekvation 2). 19

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

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

Mikrovågskemi har använts för syntes av en mängd olika nanostrukturerade material och baseras på förmågan hos en specifik molekyl eller material att omvandla mikrovågsenergi till värme20. I konventionella hydrotermiska reaktioner initieras reaktionen genom direkt absorption av värme genom reaktorn. Däremot, inom mikrovågsassisterade hydrotermiska reaktioner, är uppvärmningsmekanismerna dipolär polarisering av lösningsmedlet som oscillerar i ett mikrovågsfält och jonledning som genererar lokaliserad molekylär friktion20. Mikrovågskemi kan öka reaktionskinetiken, selektiviteten och utbytet av kemiska reaktioner20, vilket gör det av stort intresse för en skalbar, industriellt gångbar metod för att syntetisera Ni(OH)2.

För alkaliska batterikatoder ger α-Ni(OH)2-fasen förbättrad elektrokemisk kapacitet jämfört med β-Ni(OH)2 fas13, och syntetiska metoder för att syntetisera α-Ni(OH)2 är av särskilt intresse. α-Ni(OH)2 har syntetiserats med en mängd olika mikrovågsassisterade metoder, som inkluderar mikrovågsassisterad reflux21,22, mikrovågsassisterad hydrotermisk teknik23,24 och mikrovågsassisterad baskatalyserad nederbörd25. Inkluderingen av urea i reaktionslösningen påverkar signifikant reaktionsutbytet26, mekanism26,27, morfologi och kristallstruktur27. Den mikrovågsassisterade nedbrytningen av urea bestämdes vara en kritisk komponent för att erhålla α-Ni(OH)227. Vattenhalten i en etylenglykol-vattenlösning har visat sig påverka morfologin hos mikrovågsassisterad syntes av α-Ni(OH)2 nanoark24. Reaktionsutbytet av α-Ni(OH)2, när det syntetiserades genom en mikrovågsassisterad hydrotermisk väg med en vattenlösning av nickelnitrat och urea, visade sig bero på lösningens pH26. En tidigare studie av mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2-nanoblommor med en prekursorlösning av EtOH/H2O, nickelnitrat och urea visade att temperaturen (i intervallet 80–120 °C) inte var en kritisk faktor, förutsatt att reaktionen utförs över ureahydrolystemperaturen (60 °C)27. En nyligen publicerad artikel som studerade mikrovågssyntesen av Ni(OH)2 med hjälp av en prekursorlösning av nickelacetattetrahydrat, urea och vatten fann att vid en temperatur på 150 °C innehöll materialet både α-Ni(OH)2- och β-Ni(OH)2-faser, vilket indikerar att temperaturen kan vara en kritisk parameter i syntesen av Ni(OH)228.

Mikrovågsassisterad hydrotermisk syntes kan användas för att producera α-Ni(OH)2 och α-Co(OH)2 med hög ytarea genom att använda en prekursorlösning bestående av metallnitrater och urea upplöst i en etylenglykol/H2O-lösning12,29,30,31. Metallsubstituerade α-Ni(OH)2-katodmaterial för alkaliska Ni-Zn-batterier syntetiserades med hjälp av en uppskalad syntes designad för en mikrovågsreaktor i storformat12. Mikrovågssyntetiserad α-Ni(OH)2 användes också som en prekursor för att erhålla β-Ni(OH)2 nanosheets12, nickel-iridium-nanoframes för syreutvecklingsreaktionselektrokatalysatorer (OER)29 och bifunktionella syreelektrokatalysatorer för bränsleceller och vattenelektrolysörer30. Denna mikrovågsreaktionsväg har också modifierats för att syntetisera Co(OH)2 som en prekursor för kobolt-iridium-nanoramar för sura OER-elektrokatalysatorer31 och bifunktionella elektrokatalysatorer30. Mikrovågsassisterad syntes användes också för att producera Fe-substituerade α-Ni(OH)2 nanoark, och Fe-substitutionsförhållandet förändrar strukturen och magnetiseringen32. En steg-för-steg-procedur för mikrovågssyntes av α-Ni(OH)2 och utvärdering av hur varierande reaktionstid och temperatur i en vatten-etylenglykollösning påverkar den kristallina strukturen, ytan, porositeten och den lokala miljön för mellanskiktsanjoner i materialet har dock inte tidigare rapporterats.

Detta protokoll fastställer procedurer för mikrovågssyntes med hög genomströmning av α-Ni(OH)2 nanoark med hjälp av en snabb och skalbar teknik. Effekten av reaktionstemperatur och tid varierades och utvärderades med hjälp av in situ reaktionsövervakning, svepelektronmikroskopi, energidispersiv röntgenspektroskopi, kväveporosimetri, pulverröntgendiffraktion (XRD) och Fouriertransform infraröd spektroskopi för att förstå effekterna av syntetiska variabler på reaktionsutbyte, morfologi, kristallstruktur, porstorlek och lokal koordinationsmiljö för α-Ni(OH)2 nanoark.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

OBS: Den schematiska överview av mikrovågssyntesprocessen presenteras i figur 1.

1. Mikrovågssyntes av α-Ni(OH)2 nanoark

  1. Beredning av prekursorlösning
    1. Bered prekursorlösningen genom att blanda 15 ml ultrarent vatten (≥18 MΩ-cm) och 105 ml etylenglykol. Tillsätt 5,0 g Ni(NO3)2 · 6 H2O och 4,1 g urea till lösningen och locket.
    2. Placera prekursorlösningen i en is- och vattenfylld badsonikator (40 kHz frekvens) och ultraljudsbehandla med full effekt (ingen puls) i 30 min.
  2. Mikrovågsreaktion av prekursorlösningen
    1. Överför 20 ml av prekursorlösningen till en injektionsflaska för mikrovågsreaktion med en omrörningsstav av polytetrafluoreten (PTFE) och försegla reaktionskärlet med ett låslock med en PTFE-liner.
    2. Programmera mikrovågsreaktorn så att den värms upp till reaktionstemperaturen med hjälp av inställningen så snabbt som möjligt (till 120 eller 180 °C) och håll den temperaturen i 13-30 minuter.
      OBS: Uppvärmning så snabbt som möjligt är en mikrovågsinställning som tillämpar maximal mikrovågseffekt tills önskad temperatur uppnås; Applicera därefter variabel effekt för att bibehålla reaktionstemperaturen.
    3. När reaktionen är klar, ventilera reaktionskammaren med tryckluft tills lösningens temperatur når 55 °C. Varje steg i reaktionen (uppvärmning, hållning och kylning) utförs under magnetisk omrörning vid 600 rpm.
  3. Centrifugering och tvättning av mikrovågsreaktionsfällningen.
    1. Överför lösningen efter reaktionen till 50 ml centrifugrör. Centrifugera efterreaktionslösningen vid 6 000 rpm/6,198 rcf i 4 minuter vid rumstemperatur och dekantera sedan supernatanten.
    2. Tillsätt 25 ml ultrarent vatten för att återsuspendera nanoarken. Centrifugera under samma förhållanden och dekantera sedan supernatanten.
    3. Upprepa tvätt-, centrifugerings- och dekanteringsstegen totalt fem gånger med vatten och sedan tre gånger med etanol.
      OBS: Isopropylalkohol kan också användas i stället för etanol.
  4. Mätning av pH före och efter mikrovågsreaktionen
    1. Mät pH-värdet i prekursorlösningen innan mikrovågsreaktionen påbörjas och mät supernatantens pH-värde omedelbart efter den första centrifugeringen.
  5. Torkning av provet
    1. Täck centrifugrören med en vävnad eller pappershandduk för att fungera som ett poröst lock för att minska potentiell kontaminering och torka dem i en provugn vid 70 °C i 21 timmar i omgivande atmosfär.
      OBS: Torktiden och förhållandena kan påverka de relativa intensiteterna och 2θ°-värdena för (XRD)-toppar, enligt beskrivningen i de representativa resultaten.

2. Karakterisering och analys av material

  1. Karakterisering av morfologi och sammansättning med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) och energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS)
    1. Förbered proverna för SEM- och EDS-analys genom att suspendera en liten mängd Ni(OH)2-pulver i 1 ml etanol med hjälp av en vattenbadssonikator.
    2. Droppgjut Ni(OH)2/etanolblandningen på en SEM-stubb och indunsta etanolen genom att placera SEM-stubben i en provugn vid 70 °C.
    3. Samla in SEM-mikrobilder och EDS-spektra. Samla in SEM-bilder med en accelerationsspänning på 10 kV och en ström på 0,34 nA vid förstoringar på 6,5 kX, 25 kX och 100 kX. Samla in EDS-spektra på utvalda områden med en accelerationsspänning på 10 kV, en ström på 1,4 nA och en förstoring på 25 kX.
  2. Analys av ytarea och porositet med hjälp av kvävefysisorptionsporosimetri
    1. Förbered proverna för analys genom att tillsätta 25 mg Ni(OH)2 i provröret. Utför avgasning och torkning före analysen under vakuum vid 120 °C i 16 timmar före analys.
    2. Överför provröret från avgasningsporten till analysporten för att samla upp kväveisotermer (N2).
    3. Analysera N2 isotermdata med hjälp av Brunauer-Emmett-Teller (BET) analys för att bestämma den specifika ytan. Utför BET-analysen enligt IUPAC-metoder (International Union of Pure and Applied Chemistry)33. Det specifika analysprogrampaketet som används för att utföra BET-analysen ingår i materialförteckningen.
    4. Analysera isotermens desorptionsgren med hjälp av Barrett-Joyner-Halenda-metoden (BJH) för att erhålla porvolym, pordiameter och porstorleksfördelning. Utför BJH-analysen enligt IUPAC-metoder. 33 Det specifika analysprogram som används för att utföra BJH-analyser ingår i materialförteckningen.
  3. Strukturanalys med hjälp av pulverröntgendiffraktion (XRD)
    1. Fyll provbrunnen på en XRD-hållare med noll bakgrund med Ni(OH)2, se till att pulverytan är plan.
    2. Samla in pulverröntgendiffraktogram med en CuKα strålkälla mellan 5°-80° 2θ med ett steg om 0.01.
    3. Analysera d-avståndet med hjälp av Braggs lag,
      nλ = 2d sinθ,
      där n är ett heltal, λ är röntgenstrålarnas våglängd, d är d-avståndet och θ är vinkeln mellan de infallande strålarna och provet.
    4. Analysera kristallitdomänens storlek, D, med hjälp av Scherrer-ekvationen,
      Equation 1
      där Ks är Scherrer-konstanten (en Scherrer-konstant på 0,92 användes för analysen), λ är röntgenstrålarnas våglängd, β2θär den integrerade bredden av diffraktionstoppen och θ är Bragg-vinkeln (i radianer). För analys togs β2θsom full bredd vid halva maximum (fwhm) och multiplicerades med en konstant på 0,939434.
  4. Karakterisering av materialet med hjälp av försvagad total reflektans-Fouriertransform infraröd spektroskopi (ATR-FTIR)
    1. Utrusta ATR-fästet (Attenuated Total Reflectance) till Fouriertransform infraröd (FTIR) spektrometer.
    2. Tryck en liten mängd Ni(OH)2-pulver mellan två glasglas för att skapa en liten pellet.
    3. Placera Ni(OH)2-pelleten på kisel-ATR-kristallen och få ett FTIR-spektrum mellan 400 och 4 000 cm-1. Infraröda spektra representerar genomsnittet av 16 individuella skanningar med 4 cm-1 upplösning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Inverkan av reaktionstemperatur och tid på syntesen av α-Ni(OH)2
Före reaktionen är prekursorlösningen [Ni(NO3)2 · 6 H2O, urea, etylenglykol och vatten] en transparent grön färg med ett pH på 4,41 ± 0,10 (figur 2A och tabell 1). Mikrovågsreaktionens temperatur (antingen 120 °C eller 180 °C) påverkar reaktionstrycket in situ och lösningens färg (figur 2B-G och figur 3). För 120 °C-reaktionen värmer mikrovågsstrålningen upp prekursorlösningen till en temperatur på 120 °C på mindre än 1 minut och 30 s. Mikrovågsreaktorn håller temperaturen vid 120 °C i 13 till 30 minuter under variabel mikrovågseffekt, och sedan behöver kärlet 3 minuter för att svalna till 55 °C (figur 3A). När temperaturen väl har applicerats genererar reaktionen på 120 °C ett blygsamt tryck och uppnår ett maximalt reaktionstryck på 9-11,5 psi. Lösningens pH stiger från 4,41 ± 0,10 till 6,75 ± 0,04 efter 13 minuter vid 120 °C och stiger till 7,03 ± 0,04 efter 30 minuter vid 120 °C.  Centrifugering separerar det utfällda pulvret från den gröna supernatanten (figur 2B-F). Den efterföljande tvättningen och torkningen ger ett grönt pulver (figur 2H) med ett utbyte på 62 ± 12 mg under reaktionstiden på 13 minuter och ett utbyte på 131 ± 24 mg under reaktionstiden på 30 minuter vid 120 °C (tabell 1).

En ökning av reaktionstemperaturen från 120 °C till 180 °C resulterar i betydande tryckackumulering (figur 3A jämfört med 3B), förändringar av supernatantens färg efter reaktion (figur 2B jämfört med 2D och 2E jämfört med 2G) och ökar reaktionsutbytet i förhållande till 120 °C-reaktioner vid både 13 och 30 minuters reaktionstider (tabell 1). Med en reaktionstemperatur på 180 °C uppnår reaktionen ett maximalt reaktionstryck på 138 psi, vilket sammanfaller med reaktionens slut (figur 3A). För att bestämma de olika komponenternas relativa bidrag till trycket jämförs det tryck som genereras med den ursprungliga prekursorlösningen med det tryck som genereras med en lösning av vatten, etylenglykol och urea och en lösning av vatten och etylenglykol (kompletterande figur 1). Vid en jämförelse av det tryck som alstras från varje lösning med en reaktionstemperatur på 180 °C (tilläggsfigur 1) får lösningar som innehåller urea högre tryck. Lösningen av vatten och etylenglykol bidrar med en stadig 50 psi under hela reaktionen; Lösningen av vatten, etylenglykol och urea har en liknande tryckprofil som lösningen av nickelnitrat, vatten, etylenglykol och urea (ses i rött och blått i tilläggsfigur 1). Det extra tryck som alstras vid 180 °C i de ureahaltiga lösningarna tillskrivs sönderdelningen av urea27 till gasfas CO2 och NH3 (som diskuteras i följande avsnitt) där ångfas H2O bidrar till det totala trycket.

Till skillnad från den grönfärgade supernatanten efter 120 °C mikrovågsreaktion (figur 2E,F) är den supernatant som erhålls efter 180 °C-reaktionen blå (figur 2G). In situ-fotografier av reaktionen visar den blå färgen efter att reaktionen har svalnat (figur 3C), och lösningen genomgår en gradvis färgförändring mellan slutet av mikrovågsuppvärmningen (ruta #2 i figur 3B) och slutet av kylningssteget (ruta #3 i figur 3B). Före mikrovågsinducerad uppvärmning av lösningen till 180 °C ger nickelsaltet lösningen en transparent grön färg (figur 3C, motsvarande blocklåda #1 i figur 3B). Lösningen är grumlig ljusgrön när reaktionen avslutas (Figur 3C, blocklåda #2 i Figur 3B), men när reaktionen kyls och trycket minskar ändrar lösningen färg från grumlig grön till blå (Figur 3C, blocklåda #3 i Figur 3B). Supernatanten i 180 °C-reaktionen har ett pH på 8,91 ± 0,03, vilket är mycket högre i förhållande till 120 °C-supernatanten (pH på 6,75 ± 0,04 under 13 minuters reaktionstid), och det högre pH kan vara relaterat till högre nivåer av ureanedbrytning. Centrifugering, tvättning och torkning av 180 °C-reaktionen i 13 minuter resulterar i ett grönt pulver (inga inslag av blå färg med pulvret observerades) med ett utbyte på 202 ± 4 mg, vilket är mycket högre än utbytet av 120 °C-reaktionerna (tabell 1).

Effekt av reaktionstid och temperatur på morfologi, sammansättning och porositet hos α-Ni(OH)2
Svepelektronmikroskop (SEM) avslöjar att de syntetiserade Ni(OH)2-materialen består av aggregat (~1-5 μm i diameter) av ultratunna nanoark som är slumpmässigt sammanvävda (figur 4). Från SEM-bilder påverkar reaktionstemperaturen den relativa riktningstillväxten av enskilda nanoark inom det totala aggregatet. För 180 °C-reaktionerna (figur 4D-F) verkar ett enskilt nanoark i aggregatet ha längre laterala dimensioner av ark jämfört med 120 °C-reaktionerna (figur 4A-C och 4G-L). Jämförelsen av SEM-bilder av material som syntetiserats i 13 minuter vid 120 °C (figur 4A) till 30 minuter vid 120 °C (figur 4G) visar att en ökning av reaktionstiden från 13 till 30 minuter vid 120 °C ökar storleken på kärnförsedda nanostrukturaggregat från ~3 μm till ~5 μm. Högupplöst transmissionselektronmikroskopiavbildning av liknande material visade att nanoarken består av flera kristalliter, snarare än att ett nanoark är en enda kristall32. Analysen av material som producerats från en variant av denna syntesväg visade också att nanoarken är 2-12 nm tjocka och består av organiserade staplar av individuella (001) lager12.

Energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) visar en jämn fördelning av nickel, syre, kol och kväve i alla syntetiserade nanoarkmaterial (figur 5). Kol och kväve som ingår i strukturen härrör från restföreningar från reaktionsprekursorerna (t.ex. nitrater, urea och etylenglykol) och derivat 4,12,35, och närvaron av dessa föreningar i strukturen stöds av FTIR-analys, som beskrivs nedan.

Från kvävefysisorptionsanalys har de mikrovågssyntetiserade Ni(OH)2-nanoarken BET-ytytor som sträcker sig från 61-85 m2·g-1, genomsnittliga porvolymer på 21-35 Å, och kumulativa porvolymer på 0,426-0,630 cm3·g-1 (tabell 1). Med hjälp av IUPAC-nomenklatur för isotermtyp och porbredd33 uppvisar alla material som tillverkas med hjälp av detta protokoll isotermer av typ IV, och kurvorna för porstorleksfördelningen visar att majoriteten av den fria volymen ligger i mesoporområdet (porbredd 2-50 nm) och makroporer (porbredd >50 nm) (tilläggsfigur 2). Från dessa mätningar ligger ytorna på materialen som framställs vid olika reaktionstemperaturer och tidpunkter inom varandras experimentella fel. Materialet som syntetiseras vid 180 °C i 13 minuter har en mindre pordiameter och porvolym än materialet som syntetiseras vid 120 °C i 13 minuter, vilket indikerar att reaktionstemperaturen påverkar materialets porositet.

Inverkan av reaktionstid och temperatur på strukturen hos α-Ni(OH)2
XRD-mönstren för alla tre mikrovågssyntetiserade proverna visar karakteristiska toppar av α-Ni(OH)2. Flera diffraktionstopp observeras i intervallet 11-12°, 23-24°, 33°, 36° och 59° 2θ, vilket motsvarar (001), (002), (110), (111) respektive (300) plan för α-Ni(OH)2 (figur 6A)12. De topppositioner som observerats i röntgendiffraktogrammet för materialet syntetiserat vid 120 °C i 13 minuter matchar de för en hydratiserad α-Ni(OH)2-struktur (ICDD-kort nr 00-038-0715). För 120 °C-reaktionen, när syntestiden ökar från 13 till 30 minuter, förskjuts positionen för (001) reflektionen till ett lägre 2θ-värde (figur 6B), vilket förstorar mellanskiktets gallerihöjd från 7,85 till 7,94 Å. En ökning av syntestiden från 13 till 30 minuter vid 120 °C påverkar inte signifikant kristallitdomänens storlek i riktningarna (001) eller (110) utöver experimentellt fel (resultaten sammanfattas i tabell 2).

Förutom effekterna av reaktionstiden inducerar en ökning av mikrovågsreaktionstemperaturen från 120 °C till 180 °C också förändringar i α-Ni(OH)2-kristallstrukturen. Vid förhöjda temperaturer förskjuts diffraktionsplanet (001) till ett högre 2θ-värde (figur 6B), vilket förkortar mellanskiktets gallerihöjd från 7,85 till 7,36 Å och resulterar i en smalare (002) topp, vilket indikerar en högre grad av ordning inom mellanskiktsområdet (figur 6A). Diffraktionsplanet (001) för α-Ni(OH)2 syntetiserat vid 180 °C befinner sig i en position mellan ett hydratiserat α-Ni(OH)2 (ICDD-kort nr 00-038-0715) och ett nitrerat α-Ni(OH)2 (ICDD-kort nr 00-022-0752), och därför överensstämmer strukturen med ett hydraterat/nitrerat α-Ni(OH)2 (figur 6B). Eftersom tidigare forskning tyder på att topppositionen för (001)reflektionerna i α-Ni(OH)2 är beroende av torkningsförhållandena36, tillämpades samma torkningsförhållanden (70 °C, 21 timmar, omgivande atmosfär) på proverna för att undvika den potentiella effekten av torkningsförhållanden på topppositionen (001). Som jämförelse utvärderades även effekten av andra torkningsförhållanden. Torkningsförhållanden på 16 timmar i omgivande atmosfär eller vakuum resulterade i (001) d-avstånd inom det experimentella felet för våra standardtorkningsförhållanden på 70 °C under 21 timmar i omgivande atmosfär (tilläggsfigur 3B). Användning av en längre torktid på 24 timmar under omgivande atmosfär resulterar i ett (001) d-avstånd som är något bortom experimentellt fel; Förskjutningarna i d-avståndet mellan (001) reflektionen från olika reaktionsbetingelser (tabell 2) ligger dock utanför det experimentella felet för olika torkningsförhållanden (tilläggsfigur 3B).

Nanoarkets morfologi resulterar i signifikant olika storlekar av kristallina domäner som består av (001) och (110) plan, som är ortogonala plan inom α-Ni(OH)2-kristallstrukturen (figur 6C). (001)-planen uppstår från ordningen av Ni(OH)2-skikt , medan (110) planen är resultatet av ordningen av atomer inom nanoarkets plan. För α-Ni(OH)2-materialet syntetiserat vid 120 °C överensstämmer kristallitdomänstorlekarna på 4,5 nm (001) och 12,9 nm (110) med SEM-bilder som visar större laterala dimensioner på arken i förhållande till plåtarnas tjocklek (figur 4). En jämförelse av α-Ni(OH)2 syntetiserad vid 120 °C och 180 °C i 13 minuter visar att materialet som syntetiserats vid 180 °C har större domänstorlekar på 6,6 nm (001) och 15,2 nm (110) i förhållande till de värden som erhålls vid 120 °C (tabell 2), vilket överensstämmer med SEM-mikroskopi som visar större och plattare nanoark i aggregatet i förhållande till 120 °C-materialen (figur 4). Materialet som syntetiseras vid en högre temperatur har en större domänstorlek, vilket överensstämmer med den mindre pordiametern och porvolymen från kvävefysisorptionsanalys (tabell 1).

ATR-FTIR-spektra för de mikrovågssyntetiserade nanoarken i 400-4 000 cm-1-området (figur 7A och tabell 2) visar ett Ni-O-gitterläge35 mellan 400-800 cm-1, moder från ligander och strukturella molekyler35 mellan 800-2 000 cm-1, cyanatband31 mellan 2 000 och 2 500 cm-1 och α-OH-gittermoder35 mellan 3 500 och 3 800 cm-1. Inkluderat i de kompletterande figurerna är expanderade regioner av Ni-O-gitterlägena (tilläggsfigur 4A), cyanatmoder (tilläggsfigur 4B) och α-OH-gitterlägena (tilläggsfigur 4C). Experimentella vågtal för material framställda under olika reaktionsbetingelser och topptilldelningar från tidigare studier ingår i tilläggstabell 1. Inom de regionmärkta ligand- och strukturmolekylerna i FTIR-spektra (figur 6B) visar alla prover två distinkta nitratvibrationslägen, ett bundet nitrat, ν3 (NO3-), och ett fritt nitrat, ν3 (fritt NO3-), en gemensamhet bland α-Ni(OH)2 syntetiserad från nickelnitratlösningar12,35. Alla tre proverna visar vibrationssträckningslägen som härrör från urea-härledda cyanater, νs(C-O-CN)/νs(OCN-)12,31 och böjningsmoder från fritt vatten, δs(H-O-H)35. ν(C-O)-läget tillskrivs karbonater i α-Ni(OH)2-materialet 31. Att öka reaktionstiden från 13 min till 30 min vid 120 °C resulterar i en minskning av den relativa intensiteten för ν(C-O)-läget, vilket stöder att längre reaktionstider påverkar inkorporeringen av karbonater i materialet, vilket påverkar mellanskiktsområdet4.

En ökning av reaktionstemperaturen från 120 °C till 180 °C ändrar frekvenserna och den relativa intensiteten för cyanat-, nitrat-, hydroxyl- och vattenvibrationslägena (figur 7B). Jämförelse av materialen vid 120 °C och 180 °C i 13 minuter, vid den högre reaktionstemperaturen på 180 °C, skiftar frekvensen för δ(α-OH)-läget till ett högre vågtal (grönt markerat område i figur 7B), vilket indikerar en förändring i den lokala potentiella energimiljön för -OH koordinerad till Ni-centrum. Reaktionstemperaturen ändrar också de relativa intensiteterna för cyanat-, nitrat- och fritt vattenlägen. Jämförelsen av spektra för provexemplar uppvärmda till 180 °C och 120 °C visar att intensiteten i ν(COC-CN) (röd infällning i figur 7B) och δ(H-OH, fri) (blå infälld i figur 7B) är lägre inom 180 °C-materialet jämfört med 120 °C-materialet. Dessutom är den relativa intensiteten för nitratlägena, ν3 (NO3-) och ν3 (NO3-, fri), jämfört med δ (H-OH, fritt) högre vid förhöjda reaktionstemperaturer. Ökningen av den relativa intensiteten hos nitratmoder jämfört med δ(H-OH, fritt) läge vid förhöjda reaktionstemperaturer stöder XRD-analysen att den ökande reaktionstemperaturen från 120 till 180 °C resulterar i att materialet uttrycks som ett hydratiserat nitrerat α-Ni(OH)2. Toppformen för cyanatläget som inträffar mellan 2 000 och 2 500 cm-1 ändras också med en höjning av reaktionstemperaturen (tilläggsfigur 4B), där det verkar finnas två band i proverna. I cyanatområdet har provet som värmts upp till 180 °C en annan relativ intensitet för den högre frekvenstoppen jämfört med den i 120 °C-proverna.

De observerade förändringarna i frekvens och relativ intensitet indikerar en reaktionstemperatur och tidsförändring i den lokala potentiella energimiljön för dessa delar, och ytterligare analys behövs för att ytterligare fastställa frekvensstrukturkorrelationer för dessa vibrationsmoder inom dessa material.

Figure 1
Figur 1: Schematisk representation av α-Ni(OH)2 nanoarksyntes. I processen användes 20 ml alikvoter av en stamlösning (Ni(NO)3 · 6 H2O, urea, etylenglykol och H2O) i mikrovågsugn under varierande reaktionstider (13 eller 30 min) och temperaturer (120 eller 180 °C) för att producera α-Ni(OH)2 nanoark. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: Bilder av mikrovågsreaktionslösningen bestående av nickelnitrat, urea, etylenglykol och vatten. (A) Före mikrovågsstrålning; efter mikrovågsstrålning i (B) 13 minuter vid 120 °C, (C) 30 min vid 120 °C och (D) 13 min vid 180 °C. Bilder på proverna efter den första centrifugeringen [som separerar Ni(OH)2 från oreagerat nickelnitrat, urea, etylenglykol och vatten]: E) 13 min vid 120 °C, (F) 30 min vid 120 °C och (G) 13 min vid 180 °C. H) Tvättade och torkade pulver av material som syntetiserats vid 13 min vid 120 °C. 30 min vid 120 °C och 13 min vid 180 °C. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Tid, temperatur och tryckprofiler för mikrovågsreaktionerna hos lösningar som består av nickelnitrat, urea, etylenglykol och vatten. Reaktionstidens inverkan på trycket hos den mikrovågssyntetiserade Ni(OH)2 vid (A) 120 °C i 13 och 30 minuter och (B) 180 °C i 13 minuter. (C) In situ-reaktionsfotografier av reaktionen vid 180 °C. Rosa insatser 1-3 i (B) motsvarar in situ-reaktionsfotografierna av reaktionen i (C). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Svepelektronmikroskop av mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2 nanoark vid olika förstoringar. (A-C) 13 min vid 120 °C, (D-F) 13 min vid 180 °C och (G-L) 30 min vid 120 °C. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Figur 5: Energidispersiv röntgenspektroskopisk elementär kartläggning av nickel (Ni), syre (O), kol (C) och kväve (N) i de mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2-nanoarken. (A-E) 13 min vid 120 °C, (F-J) 13 min vid 180 °C och (K-O) 30 min vid 120 °C. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 6
Figur 6: Röntgendiffraktionsmönster för mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2-nanoark preparerade under olika reaktionsbetingelser (13 min vid 120 °C, 13 min vid 180 °C och 30 min vid 120 °C). (A) Pulver XRD-mönster mellan 5°-80° 2-regioner. (B) Ett utvidgat område av diffraktogrammet i 10-14° 2-regionerna som visar (001)-planet för α-Ni(OH)2. (C) Jämförelse av en modell α-Ni(OH)2-kristallstruktur med mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2-nanoark skapade med hjälp av en kristallstrukturprogramvara37. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7: Dämpad totalreflektans-Fouriertransform infraröd spektroskopi (ATR-FTIR) spektra av mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2 nanoark. Nanoarken framställdes under olika reaktionsförhållanden (13 min vid 120 °C, 13 min vid 180 °C och 30 min vid 120 °C) och analyserades med ATR-FTIR i (A) 400-4 000 cm-1-regionen och (B) utvidgad vy i 800-2 000 cm-1-regionen ; Topptilldelningar visas och information om topptilldelningar finns i texten. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Reaktionsförhållanden Elementär sammansättning bestämd av EDS Kvävefysisorption
Reaktionstemperatur (°C) Reaktionstid (minuter) pH före reaktion pH efter reaktion Utbyte (mg) Atomprocent Ni Atomprocent O BET Yta (m2 • g-1) Pordiameter (å) Porvolym (cm3 • g-1)
120 °C 13 4,41 ± 0,10 6,75 ± 0,04 62 ± 12 21 ± 2 68 ± 4 79 ± 19 35 ± 6 0,630 ± 0,093
180 °C 13 4,41 ± 0,10 8,91 ± 0,03 202 ± 4 21 ± 1 67 ± 4 85 ± 10 21 ± 2 0,497 ± 0,085
120 °C 30 4,41 ± 0,10 7,03 ± 0,04 131 ± 24 16 ± 4 67 ± 4 61 ± 21 21 ± 14 0,426 ± 0,115

Tabell 1: Fysiokemiska egenskaper hos mikrovågssyntetiserat Ni(OH)2. Egenskaperna mättes vid olika temperaturer (120 °C och 180 °C) och reaktionstider (13 min och 30 min); pH, utbyte, grundämnessammansättning från energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) och kväveporosimetridata; Närmare uppgifter finns i texten.

Reaktionsförhållanden för mikrovågor Röntgendiffraktion Infraröd spektroskopi
(001) d-avstånd (Å) Storlek på kristallitdomän (nm) Vågtal (cm-1)
<001> <110> ν(Ni-O) δ(α-OH) ν3(NR3-) νs(OCN-)
13 min vid 120 °C 7,85 ± 0,17 4,5 ± 1,1 12,9 ± 1,3 617 1487 1289 2183
13 min vid 180 °C 7,36 ± 0,03 6,6 ± 0,5 15,2 ± 0,6 620 1493 1291 2207
30 min vid 120 °C 7,94 ± 0,02 5,2 ± 0,6 12,0 ± 1,7 620 1498 1294 2197

Tabell 2: Strukturell analys av mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2 nanoark. Strukturell analys av nanoark framställda under olika reaktionsförhållanden (13 min vid 120 °C, 13 min vid 180 °C och 30 min vid 120 °C) erhållen från pulver XRD och Fourier Transform Infraröd spektroskopi. Detaljer finns i texten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mikrovågssyntes ger en väg för att generera Ni(OH)2 som är betydligt snabbare (13-30 min reaktionstid) jämfört med konventionella hydrotermiska metoder (typiska reaktionstider på 4,5 timmar)38. Genom att använda denna milt sura mikrovågssyntesväg för att producera ultratunna α-Ni(OH)2 nanoark, observeras att reaktionstid och temperatur påverkar reaktionens pH, utbyten, morfologi, porositet och struktur hos de resulterande materialen. Med hjälp av en reaktionstrycksmätare på plats sker en mycket liten mängd tryckackumulering under båda 120 °C-reaktionerna, men en ökning av reaktionstemperaturen från 120 °C till 180 °C genererar ett betydande reaktionstryck. Urea sönderdelas i NH3 och CO2 (ekvation 3) och reagerar sedan ytterligare och genererar CO32- och OH - (ekvation 4 och 5) och NH4 + och OCN- (ekvation 6)27, med kontinuerlig frisättning av OH - som driver hydrolys- och kondensationsreaktionerna som resulterar i tillväxten av Ni(OH)2-strukturen 27.

H2NCONH2(s) + H2O(l) Equation 2 2 NH3(g) +CO2(g) (3)
H2O(l) + CO2(g) → CO32(aq)+ 2 H+(aq) (4)
NH3(g) + H2O(l) → NH4+(aq) + OH-(aq) (5)
H2NCONH2(s) + H2O(l) → OCN- (aq) + NH4+(aq)+ H2O(l) (6)

Tryckökningen som genereras under reaktionen som utförs vid 180 °C tillskrivs den gas som genereras vid nedbrytningen av urea. 180 °C-reaktionen genererar också högre pH-nivåer till följd av ureamedierad alkalisering (ökning av pH) av lösningen. Ökningen av pH och det högre produktutbytet vid 180 °C-reaktionen beror på den ökade nedbrytningshastigheten av urea, vilket kan driva nickelnitrathydrolysen och kondensationsreaktionen i en snabbare takt. Denna analys överensstämmer med tidigare arbete, som rapporterade syntesen av α-Ni(OH)2 i urea ochH2O och fann att reaktionsutbytet beror på pH-utveckling26.

Reaktionstrycket och det högre pH som erhålls vid den högre reaktionstemperaturen kan också påverka den föredragna laterala tillväxtriktningen för nanoarken, vilket observerats från SEM-bilder (figur 4), med 120 °C syntetiserade nanoark som organiserar sig mer slumpmässigt i förhållande till den mer plana organisationen av 180 °C nanoarken. När 180 °C-reaktionen avslutas ändras lösningens färg från grumligt grön till blå när trycket släpps och kan vara relaterad till en reaktion av ammoniak med oreagerad Ni i lösningen, vilket gör lösningen blå. Den grön-till-blå färgförändringen kan bero på att NH3 reagerar med eventuella återstående oreagerade Ni2+ och bildar en blå lösning som kan innehålla ett NH 3-koordinerat Ni-komplex39. Ytterligare analyser behövs dock för att identifiera den specifika artbildningen av den blå färgen.

En tidigare studie av Suib-gruppen rapporterade att i intervallet 80-120 °C (över ureahydrolystemperaturen på 60 °C) är temperaturen inte en kritisk faktor i den mikrovågsassisterade, ureamedierade syntesen av α-Ni(OH)2-nanoblommor 27. I denna studie påverkar högre temperaturer (120-180 °C) den kristallina strukturen, lokalstrukturen och porositeten hos α-Ni(OH)2. Denna mikrovågssynteslösning skiljer sig från deras i valet av lösningsmedel; denna reaktion använder en blandad etylenglykol/H2O, medan Suibs grupp använde etanol/H2O som reaktionsmedium27. BET-ytorna för α-Ni(OH)2 nanoark syntetiserade med detta protokoll (61-85 m2·g-1) är större jämfört med Ni(OH)2 syntetiserade från NiCl2 (9,2 m2·g-1)22, men lägre än den mikrovågsassisterade återflödet av nickelnitrat i etanol (173 m2·g-1)21.

När den syntetiseras i urea och H2O rapporteras α-Ni(OH)2-kristallittillväxten vara anisotrop, ökande i (001) riktningen [med (110) tillväxten konstant] med reaktionstiden och planar ut med utarmningen av Ni2+ i lösning26. I denna studie observeras en större förändring i kristallitstorlek i (001) och (110) riktningarna vid förhöjda temperaturer jämfört med kristallitstorleksförändringar inducerade av en längre reaktionstid. Mellanskiktsregionen av metallsubstituerad α-Ni(OH)2 har visat sig ändra d-avståndet och mellanskiktsordningen baserat på elektrostatik och populationen av molekyler i mellanskiktet12. På samma sätt visar detta arbete förändringar i d-avståndet och mellanskiktsordningen, men vid förhöjda reaktionstemperaturer och längre reaktionstider, snarare än genom att använda metalldopningsmedel. XRD-, FTIR- och SEM-EDS-analyser indikerar att med en reaktionstemperatur på 120 °C är α-Ni(OH)2-materialets struktur en hydratiserad form av α-Ni(OH)2, med en mellanskiktsregion som huvudsakligen innehåller fria nitrater, fria vattenmolekyler och andra restmolekyler från utgångskemikalierna. En representation av α-Ni(OH)2-kristallstrukturen med mellanskiktsvatten och joner visas i figur 6C, där mellanskiktets vatten och joner inte befinner sig inom fasta kristallografiska positioner i enhetscellen men har viss frihet att rotera och översätta i ab-planet4.

När reaktionstemperaturen ökas till 180 °C observeras ett mindre (001) d-avstånd, ett mer ordnat (002) mellanskiktsområde och en minskning av den relativa intensiteten för det δ (HOH, fria) vibrationsläget. Under syntesen vid 180 °C sker tryckackumuleringen i reaktionen delvis från nedbrytningen av urea, men också från förångningen av H2O, vilket resulterar i mindre lösningsfas H2O tillgänglig för att införliva i α-Ni(OH)2-strukturen . Skillnaderna i XRD-topplägena och de relativa intensiteterna för nitratlägena, ν3 (NO3-) och ν3 (NO3-, fritt), jämfört med δ(H-OH, fritt) läge vid 120 och 180 °C stöder att reaktion vid högre temperatur ökar den relativa koncentrationen av nitrater i strukturen; Ytterligare analys behövs dock för att bestämma hur nitratanjoner interagerar i strukturen. Ureanedbrytning bidrar till ett ökat reaktionstryck, vilket driver Ni(OH)2-hydrolys - och kondensationsreaktionen mot högre reaktionsutbyten i förhållande till 120 °C-reaktionerna. Den relativa intensiteten för νs(C-O-CN)-läget i 180 °C-provet minskar i förhållande till 120 °C-provet, vilket indikerar att mindre av ureanedbrytningsprodukten finns i strukturen vid högre temperaturer.

Detta arbete ger ett protokoll för mikrovågsassisterad syntes av Ni(OH)2 och visar att reaktionstemperatur och reaktionstid påverkar α-Ni(OH)2-strukturen och utbytet. Att använda olika syntesbetingelser för att kontrollera strukturen ger en väg för att utveckla förbättrade material för batterier och andra applikationer. Begränsningar för denna reaktion inkluderar relativt stora volymer nickelhaltigt vattenhaltigt avfall som härrör från tvätt-/centrifugeringsstegen i protokollet. Reaktionen kan generera högt tryck och ammoniak som biprodukt och kanske inte är lämplig för utomhusreaktorer eller icke-ventilerade arbetsplatser. Dessutom utvärderades detta protokoll i en mikrovågsreaktor i labbskala och kan modifieras för att skala syntesvägen till kilogramskalan.

Kompletterande figur 1: Jämförelse av reaktionstemperatur och reaktionstryck kontra tid. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Tilläggsfigur 2: Analys av mikrovågssyntetiserade αNi(OH)2 nanoark. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Tilläggsfigur 3: Effekter av torkningsförhållanden på röntgendiffraktionsmönster för α-Ni(OH)2. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Kompletterande figur 4: Försvagade totalreflektans-Fouriertransform infraröda (ATR-FTIR) spektra av mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2 nanoark. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Tilläggstabell 1: FTIR-analys av mikrovågssyntetiserade α-Ni(OH)2 nanoark. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inga intressekonflikter.

Acknowledgments

S.W.K. och C.P.R. är tacksamma för stödet från Office of Naval Research Navy Undersea Research Program (anslagsnummer N00014-21-1-2072). S.W.K. bekräftar stöd från Naval Research Enterprise Internship Program. C.P.R och C.M. bekräftar stöd från National Science Foundation Partnerships for Research and Education in Materials (PREM) Center for Intelligent Materials Assembly, Award No. 2122041, för analys av reaktionsförhållandena.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Tags

Kemi utgåva 198 Reaktionstemperatur reaktionstid materialstruktur produktutbyte mellanskiktsavstånd kristallin domänstorlek pordiameter reaktionstryck mikrovågsassisterad syntesväg högkapacitetsprocess övergångsmetallhydroxider energilagring katalys sensorapplikationer
Effekt av mikrovågssyntesförhållanden på strukturen hos nanoark av nickelhydroxid
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kimmel, S. W., Kuykendall, V.,… More

Kimmel, S. W., Kuykendall, V., Mough, C., Landry, A., Rhodes, C. P. Effect of Microwave Synthesis Conditions on the Structure of Nickel Hydroxide Nanosheets. J. Vis. Exp. (198), e65412, doi:10.3791/65412 (2023).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter