Summary
Dit artikel presenteert een protocol voor de synthese van bis(thiourea) cadmium chloride kristallen door chemische Bad afzetting. Twee experimenten worden beschreven: een geholpen door ultraviolet licht in vergelijking met zonder ultraviolet licht.
Abstract
In dit werk, de gevolgen voor de voorbereiding van bis(thiourea) cadmium chloride kristallen wanneer verlicht met ultraviolet (UV) licht met een golflengte van 367 nm met behulp van de techniek van de depositie chemische Bad relatief worden bestudeerd. Twee experimenten worden uitgevoerd om een vergelijking te maken: één zonder UV-licht en de andere met behulp van UV-licht. Beide experimenten worden uitgevoerd onder gelijke voorwaarden, bij een temperatuur van 343 K, met een pH van 3.2. De precursoren die gebruikt zijn cadmium chloride (CdCl2) en thioureum [CS (NH2)2], die zijn opgelost in 50 mL gedeïoniseerd water met een zure pH. In dit experiment, wordt de interactie van elektromagnetische straling aangevraagd op het moment dat de chemische reactie wordt uitgevoerd. De resultaten tonen aan dat het bestaan van een interactie tussen de kristallen en het UV-licht; het UV-licht bijstand veroorzaakt crystal gezwellen in een acicular vorm. Ook het eindproduct verkregen is van cadmium sulfide en toont geen duidelijk verschil wanneer gesynthetiseerd met of zonder het gebruik van UV-licht.
Introduction
Een belangrijk onderzoeksgebied is één kristallen; hun groei is gericht op de verschillende toepassingen. Deze kunnen worden gebruikt als niet-lineaire optische materialen toegepast op het gebied van de lasertechnologie, op het gebied van opto-elektronica, en voor de opslag van informatie1, waarmee een gebied kansen voor hun onderzoek. Bis(thiourea) cadmium chloride is een metaal-organische materiaal en kunnen worden gesynthetiseerd uit twee precursoren, thioureum en cadmium chloride, gehoorzamen de volgende chemische formule: 2CS (NH2)2 + CdCl2 CdCl2-[CS (NH2) 2] 2. dit metaal-organische materiaal is opgesteld onder verschillende omstandigheden, zoals temperatuur en pH, maar nooit met de hulp van ultraviolet (UV) licht.
De invloed van pH op de structuur van het kristal is gemeld; bij een pH < 6 is het mogelijk om de vorming van monocrystals. Dit, beurtelings, worden aangepast afhankelijk van de pH-bereik. Met een interval van 6 tot en met 4, het is mogelijk om de zeshoekige structuren, verkrijgen voor als pH < 4 is, een orthorhombisch kristalstructuur2wordt verkregen. De ion dissociatie wordt bevorderd door de zure pH Cd2 + en Cl- , omdat het voorkomt cadmium hydroxide vorming [Cd(OH)2 dat]. Dit stabiliseert het cadmium: een atoom cadmium sluit zich aan bij twee zwavel-vrije radicalen en twee chlorines.
Hier, is de synthese uitgevoerd met behulp van de chemische Bad afzetting techniek (CBD), beheersing van de verschillende voorwaarden die op het moment van de chemische reactie3 ingrijpen. In CBD, de factoren waarmee de chemische reactie zijn de volgende: de temperatuur van de oplossing, de voorloper van ionen de pH van de oplossing, het nummer van de reagentia en de snelheid van de agitatie, om enkelen te noemen. Aan de andere kant, de ten opzichte van techniek die gebruikt wordt hier heet fotochemische Bad afzetting (PCBD) omdat het UV licht hulp gebruikt. Er zijn verslagen waarin UV licht bijstand is gebruikt voor het synthetiseren van films van CuSx4,5, ZnS6, cd's7en InS8, onder anderen. Bauer en Gunasekaran9 aanwezig zijn in hun werk dat lanthaansulfaat oplossingen hebben een rand absorptie dicht bij 300 nm. Als gevolg van dit bereik van absorptie, wordt ultraviolette straling toegepast, wat resulteert in een soortgelijke emissie bereik met die van de geabsorbeerde oplossingen.
Een andere eigenschap van bis(thiourea) cadmium chloride is de afbraak bij verhitting. Het vertoont een eerste ontleding bij temperaturen van 512 K en boven, vorming van cadmium sulfide (CdS). De reactie van de afbraak is als volgt: [Cd (CS [NH2])2] Cl2 → Δ CdS + HNCS + NH3 + NH4SCN. Deze afbraak genereert thiocyanuric zuur en verschillende thiocyanaten10,11. Ook waren sommige effecten veroorzaakt door de UV-straling in de onderzoeksgroep, bestudeerde12. Laatste, in dit werk, een procedure van vergelijkende synthese voor bis(thiourea) cadmium chloride kristallen wordt beschreven, evenals de effecten van UV-licht.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Let op: De chemicaliën die worden gebruikt in dit protocol zijn giftige en kankerverwekkende; Dus, de veiligheidsaanbevelingen en procedures moeten worden gevolgd zorgvuldig. Juiste beschermende uitrusting dragen en alle relevante materialen veiligheidsinformatieblad (MSDS) raadplegen.
1. synthese van Bis(thiourea) Cadmium Chloride
-
Bereiding van de oplossing van de voorloper
- Giet 500 mL gedeïoniseerd water in een bekerglas van 1 L met constante agitatie; Voeg 0.3 mL zoutzuur bij een 36,5% concentratie, ervoor te zorgen dat de pH van de oplossing zo dicht mogelijk tot en met 3 is, met behulp van een pH-meter.
Let op: Om te voorkomen dat eventuele gezondheid worden effecten, gedresseerd zulks werking in een zuurkast wordt sterk aanbevolen. - Giet 50 mL van de oplossing van de voorloper bereid zoals aangegeven in stap 1.1.1 in elk van de twee bekerglazen van 100 mL (hierna, deze bekers krijgt de naam A en B).
Opmerking: Twee experimenten (A en B, afhankelijk van het bekerglas werd gebruikt) zijn tegelijkertijd uitgevoerd. Alleen B experiment zal worden blootgesteld aan UV-licht.
- Giet 500 mL gedeïoniseerd water in een bekerglas van 1 L met constante agitatie; Voeg 0.3 mL zoutzuur bij een 36,5% concentratie, ervoor te zorgen dat de pH van de oplossing zo dicht mogelijk tot en met 3 is, met behulp van een pH-meter.
- Weeg 2,29 g van CdCl2 voor elk bekerglas (A en B).
Let op: Deze actie in de zuurkast uitvoeren, zoals het gebruikte materiaal als gevaarlijk wordt aangeduid. Cadmium is uiterst giftig en geïdentificeerd als kankerverwekkend bij inademing; het moet voorzichtig worden omgegaan. - Weeg 1,33 g van CS (NH2),2 voor elk bekerglas (A en B).
Let op: Deze actie in de zuurkast uitvoeren, zoals het gebruikte materiaal gevaarlijk ongezond is. Thioureum is zeer giftig bij inademing en moet voorzichtig worden omgegaan. - 2,29 g CdCl2 en 1,33 g van CS (NH2)2 toevoegen aan elk bekerglas (A en B) met 50 mL van de oplossing van de voorloper.
2. vergelijkende synthese van Bis(thiourea) Cadmium Chloride
-
Experimentele regeling zonder UV-licht (A).
- Plaats het bekerglas (A) op de opzwepende verwarmingsplaat en verwarm het tot 343 K. Set de plaat op een matige snelheid roeren.
Let op: Deze actie in de zuurkast uitvoeren. - Bewaar deze oplossing in het bekerglas (A) matig roeren gedurende 2 uur op de plaat op 343 K.
- Plaats het bekerglas (A) op de opzwepende verwarmingsplaat en verwarm het tot 343 K. Set de plaat op een matige snelheid roeren.
-
Experimentele regeling met UV-licht (B).
- Plaats het bekerglas B op de plaat en verwarm het tot 343 K. Set de opzwepende snelheid op een matig niveau en schakel de UV-lichtbron.
Opmerking: De experimentele regeling is afgebeeld in Figuur 1.
Let op: Deze actie in de zuurkast uitvoeren. - Houd de temperatuur en de opzwepende voorwaarden zoals beschreven in stap 2.2.1 voor 2 h.
- Plaats het bekerglas B op de plaat en verwarm het tot 343 K. Set de opzwepende snelheid op een matig niveau en schakel de UV-lichtbron.
3. het verkrijgen van Bis(thiourea) Cadmium Chloride kristallen
- Mount 2 glas trechters met filtreerpapier (No. 40, Ø = 125 mm), elkaar in een maatkolf van 100 mL, voor A en B. Om te voorkomen dat de vorming van kristallen in dit stadium; Laat de oplossing afkoelen niet vóór het filteren.
- Filter de oplossingen A en B door middel van het papier, elk in hun eigen maatkolf van 100 mL.
Let op: Deze actie in de zuurkast uitvoeren. - Laat beide oplossingen binnen de volumetrische kolven tot kamertemperatuur afkoelen.
Opmerking: De kristallen beginnen te groeien in de eerste minuten binnen de volumetrische kolven. - Bereiden de filtering vergadering opnieuw (stap 3.1) met een nieuwe filtreerpapier.
- Filtreer de oplossingen met de kristallen door het filtreerpapier in aparte volumetrische kolven.
Let op: Deze actie in de zuurkast uitvoeren. - Overbrengen in de kristallen op de koffiefilter de respectieve horlogeglas.
Opmerking: op dit moment zijn er 2 horloge glazen, 1 voor A en 1 voor B. - Bevestiging van de aanwezigheid van bis(thiourea) cadmium chloride kristallen door röntgendiffractie poeder (XRD) en Ramanspectroscopie, zoals gemeld in Trujillo et al. 12.
4. het branden van de kristallen te verkrijgen van cd 's
- Plaats de kristallen verkregen in stap 3.7 in 2 verschillende filterkroezen, 1 voor A en 1 voor B.
- Verwarm een oven elektrische laboratorium en stabiliseren van de temperatuur op 773 K of hoger.
- Plaats de filterkroezen met bodem van stap 4.1 in de voorverwarmde oven.
Let op: De vrijgegeven dampen tijdens het branden zijn giftig. Zorg ervoor dat de oven in een zuurkast te wijten aan de giftige dampen dat het zal worden uitgeput. - Laat de materiële staan in de oven gedurende 1 uur op 773 K. Vervolgens zet uit de oven en laat het afkoelen tot kamertemperatuur. Verwijder daarna de filterkroezen met bodem uit de oven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Toon van de verspreiding van de UV-Vis reflectiecoëfficiënt absorptiespectra in beide voorloper oplossingen, A en B, van het bestaan van een bis(thiourea) cadmium chloride complex — CdCl2-(CS (NH2)2)2. Dit wordt bewezen door een brede absorptie band binnen het bereik van 250-500 nm in Figuur 2 c. Figuur 2 c is op zijn beurt, de combinatie van de belangrijkste absorptie bands van de geïsoleerde CdCl2 en CS (NH2)2 in de oplossing zoals aangegeven in Figuur 2a en 2b, respectievelijk. Bovendien, een secundaire band in het bereik van 600-700 nm is met name zichtbaar in beide reactanten (Figuur 2a en 2b) spectra, en het is niet aantoonbaar in het complex van UV-Vis-absorptiespectrum (Figuur 2 c). Deze laatste functie is ook determinant Figuur 2 c toewijzen als een voorbeeld van het karakteristiek spectrum van complexe CdCl2-[CS (NH2)2]2.
De Raman-spectrum van de kristallen verkregen in stap 3.6 van het protocol is afgebeeld in Figuur 3. Het toont de pieken die overeenkomt met de Cd-Cl, N-C-S en C-S obligaties (217 cm-1, 469 cm-1en 715 cm-1, respectievelijk), die overeen met de resultaten door S. Selvasekarapandian e.a. 14. aan de andere kant, P. M. Ushasree et al. 3 eerder gemeld dat de verandering in de spectra is als gevolg van een hoger aantal van Cl-Cd-S obligaties die samen in de uiteindelijke structuur van CdCl2-[CS (NH2)2]2 blijven. Die hogere tellen veroorzaakt een toename in grootte op de Raman-spectrum wanneer UV wordt gebruikt. Dit komt door de vorming van zwitterion. Een zwitterion is een elektrisch neutraal chemische verbinding die positieve en negatieve formele heffingen op verschillende atomen heeft. Selvasekarapandian,S., et al.. 14 gemeld dat zwitterion onderhoudt de stabiliteit van de thioureum en laat de binding aan de cadmium-ion. Hoewel Figuur 3 vertoont het dezelfde obligaties voor beide experimenten, voor naar de men zonder de hulp van UV (CBD), zijn deze intensiteiten lager, wat aangeeft dat een kleiner aantal obligaties.
Röntgendiffractie (XRD) en scanning elektronen microscopie (SEM) analyse werden uitgevoerd op de dezelfde poeders die hierboven (in stap 3.6 van het protocol). Ten eerste toont figuur 4a het XRD patroon. Het patroon worden volledig geïndexeerd met de gegevens blad 18-1962 CdCl2-[CS (NH2)2]2, ondersteunend de aanwezigheid van het complex. Het toont ook de preferentiële groei in (020) en (001) vliegtuigen wanneer UV-licht wordt gebruikt, die correspondeert met zwavel en cadmium atomen in de structuur omlaag, respectievelijk. Ten tweede, het observeren van de morfologie van de kristallen in de SEM afbeeldingen in figuur 4b en 4 c, het effect van UV-licht kan worden gezien: acicular kristallen 4 x - 6 x groter worden gevormd wanneer UV-licht wordt gebruikt (Figuur 4 c). In de derde plaats in figuur 4b, typische kristallen verkregen worden weergegeven, en die resultaten zijn goed in overeenstemming met het verslag van P. M. Ushasree et al. 2. vervolgens de kristallen verkregen in stap 3.6 van het protocol werden geanalyseerd door Thermogravimetrische analyse (TGA) om hun gedrag voordat calcinatie te bepalen. De verkregen TGA analyse weergegeven in Figuur 5 vertoont een soortgelijk gedrag voor beide experimenten, wanneer UV is gebruikt (PCBD) en wanneer is het niet (CBD), en beide zijn goed overeen met de resultaten die zijn verkregen door V. Venkataramanan et al. 1.
Vervolgens, voor het verkrijgen van cd's, calcinatie op 773 K werd opgevoerd in beide experimenten in vergelijkbare voorwaarden welke Ushasree,P.M., et al. 3 gemeld. Vervolgens in Figuur 6atoont de Cybershot van het gebrand complex geen representatieve verschillen in de cd's verkregen door CBD vs. PCBD. Door middel van SEM, kunnen de Figuur 6b en 6 c een iets meer prominente gemiddelde deeltjesgrootte voor de PCBD (Figuur 6 c) dan vertonen voor het VBD (Figuur 6b). Daarom wordt geconcludeerd dat het UV-licht de opname van de zwavel voor de cadmium bevordert en hierdoor een preferentiële groei in de kristallijnen structuur van CdCl2-[CS (NH2)2]2. Tot slot, de cd's verkregen nadat het calcineren geen duidelijk verschil toont.
Figuur 1: experimentele regeling met UV-licht. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: optische absorptiespectra van de voorloper oplossing. (a) CdCl, (b) CS (NH2)2, (c) CdCl2 + CS (NH2)2. a), b) en c) toont gedeeltelijke absorptie van de UV-licht. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: Raman spectra. Spectra vergelijking van bis(thiourea) cadmium chloride met (PCBD) en zonder hulp van UV (CBD). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: XRD. XRD patronen van bis(thiourea) cadmium chloride CBD en PCBD worden weergegeven in een). Een regeling van de verkregen kristallen en SEM beelden zonder UV hulp in b) en met het in c). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: Thermogravimetrische analyse. TGA vergelijking van bis(thiourea) cadmium chloride kristallen verkregen door CBD en PCBD (experimenten A en B respectievelijk). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: verkregen van CdS. In een) de XRD vergelijking van CBD vs. PCBD wordt weergegeven. b) en c) vertoont SEM beelden van het uiteindelijke product verkregen na calcinatie op 773 K. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De discussie die in dit hoofdstuk richt zich alleen op het protocol en niet op de resultaten die reeds in de representatieve resultaten weergegeven.
Een van de meest kritieke onderdelen van het protocol is de bereiding van de oplossing van de voorloper. Het is fundamenteel voor het handhaven van een zure pH Voorkom de vorming van de2 Cd(OH). Als de pH niet zuur, leidt het tot de directe vorming van cd's als gevolg van de dissociatie van thioureum en de vorming van de2 Cd(OH).
De tweede belangrijkste stap is de stap 3.2, het filteren van de oplossingen die moeten worden uitgevoerd voordat de oplossingen afkoelen omdat anders de afkoelingsperiode de vorming van de kristallen veroorzaakt te starten.
In dit protocol, de snelle groei van CdCl2-[CS (NH2)2] 2 wordt gemeld, die optreedt in een keer minder dan 10 min. Andere onderzoekers (Zie Ushasree et al.. 2,-3) verslag groeiende keer tot 45 dagen voor enkele kristallen.
Als gevolg van de relatief lage control in de reactie is het niet mogelijk om te genereren enkele kristallen. In tegenstelling, is deze techniek induceert verschillende gebreken in het kristal wanneer het UV-licht wordt gebruikt. Omdat het UV-licht gebreken in het kristal veroorzaakt, kan elke toepassing die een gebreken opneming wellicht een potentiële toepassing worden. Toekomstig onderzoek eventueel het besturingselement van de gebreken in het kristal met behulp van verschillende lichtbronnen. Ook standaardinteracties doping, met behulp van de CdCl2-[CS (NH2)2]2 met verschillende halfgeleiders, kunnen die gebreken nuttig zijn om op te nemen ten slotte nanodeeltjes of quantum dots op de cd's.
De methode van de synthese van CdCl2-[CS (NH2)2]2 met behulp van UV-licht wanneer de reactie wordt uitgevoerd (PCBD) wordt in een uitgebreide en gedetailleerde manier voor het eerst in dit protocol gerapporteerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
L.E. Trujillo en F.J. Willars Rodríguez dank CONACYT voor hun beurzen. E.A. Chavez-Urbiola Bedankt CONACYT voor het programma "Catedras CONACYT". Auteurs erkennen ook de technische bijstand van C.A. Avila Herrera, M. A. Hernández Landaverde, J.E. Urbina Álvarez en A. Jiménez Nieto.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagents | |||
| Cadmium chloride Anh. ACS, 99.4 % | Fermont | PQ24291 | Highly toxic |
| Thiourea technical grade, 99.9 % | Reasol | R5913 | Toxic |
| Hydrochloric acid, 36.5 – 38.0 % | J.T.Baker | MFCD00011324 | Highly corrosive liquid |
| Material | |||
| Filter paper | Whatman | 1440 125 | 40, Ashless, Circles, 125 mm |
| Beaker | Kimax | 1400 | 100 mL |
| Volumetric Flask | Kimax | 28012-100 | Class A 100 mL |
| Glass Funnel | Kimax | 28980-150 | Addition Funnel, Long Stem, 60° Angle, Wide Top. Type I, Class B. |
| Watch glasses | Pyrex | 9985-150 | Corning, 150 mm |
| Crucibles | Fisherbrand | FB-965-D | High-Form Porcelain |
| Equipment | |||
| Furnace | Briteg Instrumentos Cientificos S.A. de C.V. | 1010 | |
| Fume Hood | Fisher Alders, S.A. de C.V. | F1124 | |
| Light surce | Philips | PL-S 9W UV-A/2P 1CT/6X 10 CC | |
| pH meter | OAKTON | WD-35419-10 | |
| Hotplate whit magnetic stirrer | Cole-Parmer | JZ-04660-75 |
References
- Venkataramanan, V., Maheswaran, S., Sherwood, J. N., Bhat, H. L. Crystal growth and physical characterization of the semiorganic bis(thiourea) cadmium chloride. Journal of Crystal Growth. 179 (3-4), 605-610 (1997).
- Ushasree, P. M., Muralidharan, R., Jayavel, R., Ramasamy, P. Growth of bis(thiourea) cadmium chloride single crystals a potential NLO material of organometallic complex. Journal of Crystal Growth. 218 (2-4), 365-371 (2000).
- Ushasree, P. M., Jayavel, R. Growth and micromorphology of as-grown and etched bis(thiourea) cadmium chloride (BTCC) single crystals. Optical Materials. 21 (1-3), 569-604 (2002).
- Pawar, S. M., Pawar, B. S., Kim, J. H., Joo, O., Lokhande, C. D. Recent status of chemical bath deposited metal chalcogenide and metal oxide thin films. Current Applied Physics. 11 (2), 117-161 (2011).
- Suriakarthick, R., Kumar, V. N., Shyju, T. S., Gopalakrishnan, R. Investigation on post annealed copper sulfide thin films from photochemical deposition technique. Materials Science in Semiconductor Processing. 26 (1), 155-161 (2014).
- Podder, J., Kobayashi, R., Ichimura, M. Photochemical deposition of Cu x S thin films from aqueous solutions. Thin Solid Films. 472 (1-2), 71-75 (2005).
- Gunasekaran, M., Gopalakrishnan, R., Ramasamy, P. Deposition of ZnS thin films by photochemical deposition technique. Materials Letters. 58 (1-2), 67-70 (2004).
- Ichimura, M., Goto, F., Ono, Y., Arai, E. Deposition of CdS and ZnS from aqueous solutions by a new photochemical technique. Journal of Crystal Growth. 198 (1), 308-312 (1999).
- Kumaresan, R., Ichimura, M., Sato, N., Ramasamy, P. Application of novel photochemical deposition technique for the deposition of indium sulfide. Materials Science Engineering: B. 96 (1), 37-42 (2002).
- Rama, G., Jeevanandam, P. Evolution of different morphologies of CdS nanoparticles by thermal decomposition of bis(thiourea)cadmium chloride in various solvents. Journal of Nanoparticle Research. 17 (1), 1-13 (2015).
- Pabitha, G., Dhanasekaran, R. Growth and characterization of a nonlinear optical crystal - bis thiourea cadmium chloride. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. 4 (1), 34-38 (2015).
- Trujillo, L. E., et al. Di-thiourea cadmium chloride crystals synthesis under UV radiation influence. Journal of Crystal Growth. 478 (1), 140-145 (2017).
- Elilarassi, R., Maheshwari, S., Chandrasekaran, G. Structural and optical characterization of CdS nanoparticles synthesized using a simple chemical reaction route. Optoelectronics and Advanced Materials - Rapid Communications. 4 (3), 309-312 (2010).
- Selvasekarapandian, S., Vivekanandan, K., Kolandaivel, P., Gundurao, T. K. Vibrational Studies of Bis(thiourea) Cadmium Chloride and Tris(thiourea) Zinc Sulphate Semiorganic Non-linear Optical Crystals. Crystal Research & Technology. 32 (2), 299-309 (1997).
