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Chemistry

पिघला हुआ-जटिल धातु ऑक्साइड नैनोकणों के नमक संश्लेषण

Published: October 27, 2018 doi: 10.3791/58482
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1,3
1Department of Chemistry, University of Texas Rio Grande Valley, 2Radiochemistry Division, Bhabha Atomic Research Centre, 3School of Earth, Environmental, and Marine Sciences, University of Texas Rio Grande Valley

Summary

यहां, हम एक अनूठा प्रदर्शन, अपेक्षाकृत कम तापमान, पिघला हुआ-नमक संश्लेषण विधि वर्दी जटिल धातु ऑक्साइड lanthanum hafnate नैनोकणों तैयार करने के लिए.

Abstract

संभव संश्लेषण विधियों के विकास के उपंयास गुण और मैटीरियल्स के संभावित अनुप्रयोगों के सफल अन्वेषण के लिए महत्वपूर्ण है । यहां, हम धातु ऑक्साइड मैटीरियल्स बनाने के लिए पिघला हुआ नमक संश्लेषण (MSS) विधि परिचय । अंय तरीकों पर लाभ अपनी सादगी, हरियाली, विश्वसनीयता, दरिद्रता, और सामांयीकरण शामिल हैं । pyrochlore lanthanum hafnium ऑक्साइड का प्रयोग (ला2Hf2O7) एक प्रतिनिधि के रूप में, हम जटिल धातु ऑक्साइड नैनोकणों (एनपीएस) के सफल संश्लेषण के लिए MSS प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं । इसके अलावा, इस विधि इस तरह के पीएच, तापमान, अवधि, और पोस्ट एनीलिंग के रूप में विभिन्न संश्लेषण मापदंडों को बदलकर विभिन्न सामग्री सुविधाओं के साथ एनपीएस का उत्पादन करने के लिए अद्वितीय क्षमता है । इन मापदंडों को ठीक ट्यूनिंग से, हम अत्यधिक समान, गैर agglomerated, और अत्यधिक क्रिस्टलीय एनपीए को संश्लेषित करने में सक्षम हैं । एक विशिष्ट उदाहरण के रूप में, हम के कण आकार में बदलती है ला2Hf2O7 एनपीएस की एकाग्रता बदल कर अमोनियम हीड्राकसीड समाधान में इस्तेमाल किया MSS प्रक्रिया है, जो हमें आगे का पता लगाने के लिए विभिंन पर कण के आकार के प्रभाव की अनुमति देता है गुण. यह आशा की जाती है कि MSS विधि मैटीरियल्स के लिए एक अधिक लोकप्रिय संश्लेषण विधि बन जाएगी और आगामी वर्षों में nanoscience और नैनो समुदाय में अधिक व्यापक रूप से कार्यरत है ।

Introduction

पिघला हुआ-नमक संश्लेषण (MSS) अपने घटक पुरोगामी से मैटीरियल्स तैयार करने के लिए प्रतिक्रिया माध्यम के रूप में एक पिघला हुआ नमक का उपयोग शामिल है । पिघला हुआ नमक विलायक के रूप में कार्य करता है और reactants और उनकी गतिशीलता के बीच संपर्क क्षेत्र में वृद्धि से बढ़ाया प्रतिक्रिया दर की सुविधा । पिघला हुआ लवण का चुनाव MSS विधि की सफलता के लिए सर्वोपरि महत्व का होता है । नमक कम पिघलने बिंदु, प्रतिक्रिया प्रजातियों के साथ संगतता के रूप में कुछ महत्वपूर्ण गुणवत्ता आवश्यकताओं को पूरा करना होगा, और इष्टतम जलीय घुलनशीलता । पिघला हुआ नमक पहले ठोस राज्य प्रतिक्रियाओं की दर बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया गया है; हालांकि, एक प्रवाह प्रणाली में, पिघला हुआ नमक की केवल एक छोटी राशि का उपयोग किया जाता है (के विपरीत में MSS, जिसमें एक बड़ी मात्रा में जोड़ा जाता है के लिए एक घुलनशील माध्यम के रूप में प्रतिक्रिया और नियंत्रण के गुणों को संश्लेषित मैटीरियल्स, जैसे कण आकार, आकृति, और crystallinity , आदि) । इस अर्थ में, MSS पाउडर धातुकर्म विधि का एक संशोधन है और प्रवाह विधि1,2,3से भिन्न है । पिघला हुआ नमक का रोजगार कर सकते है (1) वृद्धि की प्रतिक्रिया काइनेटिक दर4 जबकि संश्लेषण तापमान5कम, (2) प्रतिक्रिया की डिग्री में वृद्धि6सजातीय, (3) नियंत्रण क्रिस्टलीय आकार और आकृति विज्ञान7, और (4) ढेर का स्तर कम करें ।

मैटीरियल्स उनके बेहतर बिजली, रासायनिक, चुंबकीय, ऑप्टिकल, इलेक्ट्रॉनिक, और थर्मल गुणों की वजह से वैज्ञानिक अनुसंधान और उपंयास औद्योगिक अनुप्रयोगों में उच्च मांग में किया गया है । उनके गुण कण आकार, आकृति, और crystallinity पर अत्यधिक निर्भर हैं । मैटीरियल्स के लिए अन्य संश्लेषण तरीकों के साथ तुलना में, MSS कई स्पष्ट लाभ है; हालांकि, यह अभी तक के रूप में अच्छी तरह से nanoscience और नैनो समुदाय में अंय संश्लेषण तरीकों के रूप में जाना नहीं है । जैसा कि नीचे वर्णित है, इन लाभों में अपनी सादगी, विश्वसनीयता, दरिद्रता, सामांयीकरण, पर्यावरणीय मैत्री, लागत प्रभावशीलता, सापेक्षिक कम संश्लेषण तापमान, और स्वच्छ सतह8के साथ एनपीएस की मुक्त ढेर शामिल हैं ।

सादगी: MSS प्रक्रिया को बुनियादी सुविधाओं के साथ सरल प्रयोगशाला में सरलता से किया जा सकता है । कोई परिष्कृत उपकरण की जरूरत है । पुरोगामी और पिघला हुआ लवण दस्ताने बॉक्स हैंडलिंग के लिए कोई ज़रूरत नहीं के साथ हवा स्थिर कर रहे हैं ।

विश्वसनीयता: जैसे एकाग्रता, पीएच, प्रसंस्करण समय, और एनीलिंग तापमान अनुकूलित कर रहे हैं के रूप में सभी प्रारंभिक संश्लेषण मापदंडों, उच्च गुणवत्ता और शुद्ध उत्पादों जब MSS विधि का उपयोग करने का आश्वासन दिया है । सभी संश्लेषण कदम ठीक से किया जाता है, तो अंतिम उत्पादों अच्छी गुणवत्ता वाले एनपीए के लिए आवश्यक सभी बुनियादी मानदंडों को प्राप्त कर सकते हैं । MSS विधि के लिए एक नौसिखिया संश्लेषण का परिणाम नहीं बदलेगा, तबतक सभी संश्लेषण पैरामीटर ठीक से और सावधानीपूर्वक फ़ॉलो किए जाते हैं.

दरिद्रता: MSS विधि की बड़ी मात्रा में आकार-और आकार-नियंत्रित कणों का उत्पादन करने की क्षमता महत्वपूर्ण है । इस महत्वपूर्ण कारक महत्वपूर्ण है क्योंकि यह औद्योगिक उपयोगिता और दक्षता के निर्धारण के लिए अनुमति देता है । अन्य संश्लेषण तकनीक की तुलना में, MSS आसानी से इस प्रक्रिया के दौरान stoichiometric मात्रा समायोजित करके उत्पादों की पर्याप्त मात्रा उत्पन्न कर सकते हैं । इस विधि की एक महत्वपूर्ण विशेषता है क्योंकि यह औद्योगिक स्तर पर सुविधा के लिए अनुमति देता है, यह इस दरिद्र9,10के कारण एक अधिक वांछित दृष्टिकोण बनाने ।

सामांयीकरण: MSS विधि भी विभिंन रचनाओं के साथ नैनोकणों उत्पादन करने के लिए एक सामांयीकरण तकनीक है । सरल धातु आक्साइड और कुछ फ्लोराइड के अलावा, मैटीरियल्स के जटिल धातु आक्साइड है कि सफलतापूर्वक MSS विधि द्वारा संश्लेषित किया गया है शामिल perovskites (ऊपर3)10,11,12, 13,14, spinel (एबी2ओ4)15,16, pyrochlore (ए2बी2ओ7)4,17,18, 19, और orthorhombic संरचनाओं (एक2बी4ओ9)2,3,20। अधिक विशेष रूप से, इन मैटीरियल्स में ferrites, titanates, niobates, mullite, एल्युमिनियम बोराटे, wollastonite, और कार्बोनेटेड एपेटाइट7,9,21शामिल हैं । MSS विधि भी nanospheres4, चीनी मिट्टी के पाउडर निकायों22, nanoflakes23, nanoplates7, nanorods24, और कोर-शेल जैसे विभिंन morphologies के मैटीरियल्स का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया गया है नैनोकणों (एनपीएस)25, संश्लेषण शर्तों और उत्पादों की क्रिस्टल संरचना पर निर्भर करता है ।

पर्यावरण मैत्री: मैटीरियल्स बनाने के लिए कई पारंपरिक तरीकों कार्बनिक सॉल्वैंट्स और विषाक्त एजेंटों की बड़ी मात्रा का उपयोग शामिल है कि पर्यावरण के मुद्दों उत्पंन करते हैं । उन के उपयोग के आंशिक या कुल उंमूलन और टिकाऊ प्रक्रियाओं द्वारा अपशिष्ट का उत्पादन ग्रीन रसायन विज्ञान की मांग में है आजकल8। MSS विधि विषैले रासायनिक और नवीकरणीय पदार्थों को रोजगार और अपशिष्ट, प्रतिफल, और ऊर्जा को कम करने के द्वारा मैटीरियल्स संश्लेषित करने के लिए एक पर्यावरण अनुकूल दृष्टिकोण है ।

सापेक्ष कम संश्लेषण तापमान: MSS विधि के प्रसंस्करण तापमान अपेक्षाकृत कम है कि एक पारंपरिक ठोस राज्य प्रतिक्रिया में आवश्यक की तुलना में26 या एक सोल-जेल दहन प्रतिक्रिया27. उच्च गुणवत्ता वाले एनपीए का उत्पादन करते समय यह कम तापमान ऊर्जा बचाता है ।

लागत प्रभावशीलता: MSS विधि किसी भी कठोर या महंगा reactants या सॉल्वैंट्स और न ही किसी विशेष उपकरण की आवश्यकता नहीं है । पानी के मुख्य विलायक दूर इस्तेमाल पिघला हुआ लवण, जो भी सस्ते है धोने के लिए इस्तेमाल किया है । इसके अलावा, प्रायोगिक सेटअप की जरूरत है केवल सरल कांच के बनने और विशेष उपकरण के बिना एक भट्ठी शामिल हैं, जबकि जटिल संरचना और दुर्दम्य प्रकृति के साथ मैटीरियल्स उत्पादन किया जा सकता है ।

ढेर साफ सतह के साथ मुक्त: MSS प्रक्रिया के दौरान, गठित नैनोकणों अपनी बड़ी मात्रा के कारण पिघला हुआ नमक मध्यम में अच्छी तरह फैला रहे हैं, इसके उच्च ईओण शक्ति और चिपचिपापन1,6 के साथ प्रयोग किया जाता है, 8. कोलाइडयन संश्लेषण और सबसे जलतापीय/solvothermal प्रक्रियाओं के विपरीत, गठित एनपीएस की निरंतर वृद्धि और ढेर को रोकने के लिए कोई सुरक्षात्मक सतह परत आवश्यक नहीं है ।

mss विधि द्वारा जटिल धातु ऑक्साइड एनपीएस का अनुकरणीय संश्लेषण: पर्याप्त मात्रा में व्यापक स्पेक्ट्रम के लिए तर्कसंगत और बड़े पैमाने पर संश्लेषित मैटीरियल्स के लिए एक सार्वभौमिक और लागत प्रभावी दृष्टिकोण के रूप में mss विधि वैज्ञानिकों द्वारा अत्यधिक स्वागत किया जा सकता है nanoscience और नैनो में कार्य करना । यहां, lanthanum hafnate (La2Hf2ओ7) एक्स-रे इमेजिंग, उच्च k-अचालक, luminescence, thermographic फॉस्फोरस, थर्मल बैरियर कोटिंग के क्षेत्रों में अपने बहुआयामी आवेदनों की वजह से चुना गया था, और परमाणु अपशिष्ट मेजबान । La2Hf2हे7 भी अपने उच्च घनत्व, बड़े प्रभावी परमाणु संख्या के कारण मैगनीज के लिए एक अच्छा मेजबान है, और अपनी क्रिस्टल संरचना की संभावना के साथ एक आदेश विकार चरण संक्रमण के साथ इंजीनियर । यह एक2बी2ओ7 यौगिकों, जिसमें "एक" एक दुर्लभ पृथ्वी तत्व के साथ एक है + 3 ऑक्सीकरण राज्य के परिवार के अंतर्गत आता है, और "बी" एक + 4 ऑक्सीकरण राज्य के साथ एक संक्रमण धातु तत्व का प्रतिनिधित्व करता है । तथापि, दुर्दम्य प्रकृति और जटिल रासायनिक संरचना के कारण, ला2Hf2O7 एनपीए के लिए उचित कम तापमान और बड़े पैमाने पर संश्लेषण विधियों का अभाव हो गया है ।

मौलिक वैज्ञानिक जांच और उंनत तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए, यह एक शर्त है monodisperse बनाने के लिए, उच्च गुणवत्ता, और वर्दी एक2बी2हे7 एनपीएस । यहाँ हम उच्च क्रिस्टलीय ला2Hf2O7 एनपीए के संश्लेषण का उपयोग करने के लिए एक उदाहरण के रूप में MSS विधि के लाभों को प्रदर्शित करता है. जैसा कि योजनाबद्ध रूप से चित्र 1में दिखाया गया है, ला2Hf2O7 एनपीएस हमारी पिछली रिपोर्टों के बाद एक दो-चरणीय प्रक्रिया के साथ MSS विधि द्वारा तैयार किए गए थे । पहला, एक ही स्रोत ला के परिसर अग्रदूत (OH)3· एचएफओ (OH)2· न एच2ओ एक coprecipitation मार्ग के माध्यम से तैयार किया गया था । दूसरे चरण में, आकार-नियंत्रणीय ला2Hf2O7 एनपीएस को एकल स्रोत जटिल प्रणेता और नाइट्रेट मिश्रण (नैनो3: KNO3 = 1:1, दाढ़ अनुपात) का उपयोग करते हुए सतही MSS प्रक्रिया के माध्यम से संश्लेषित किया गया ६५० ° c 6 ज.

Figure 1
चित्रा 1 : ला के लिए संश्लेषण चरणों की योजनाबद्ध 2 Hf 2 हे 7 एनपीएस वाया MSS विधि । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Protocol

1. एक Coprecipitation मार्ग के माध्यम से एकल स्रोत जटिल प्रणेता की तैयारी

  1. lanthanum और hafnium के प्रणेता समाधान की तैयारी
    1. एक ५०० मिलीलीटर चोंच में आसुत जल के २०० मिलीलीटर उपाय और ३०० rpm पर सरगर्मी शुरू करते हैं ।
    2. चमचे पानी में lanthanum और hafnium पुरोगामी को भंग करना [अर्थात, lanthanum नाइट्रेट की २.१६५ ग्राम hexahydrate (ला (नो३)३• 6H२ओ) और २.०४७६ जी का hafnium dichloride ऑक्साइड ऑरराहाइडेर (HfOCl२• 8H२ओ)].
    3. अनुमापन शुरू करने से पहले 30 मिनट के लिए समाधान हलचल करने दें ।
  2. पतला अमोनिया समाधान की तैयारी
    1. ०.७५%, १.५%, ३.०%, ६.०%, और ७.५% सहित विभिन्न सांद्रता के साथ पतला अमोनिया समाधान के २०० मिलीलीटर तैयार करें । उदाहरण के लिए, केंद्रित अमोनिया समाधान के 20 मिलीलीटर (NH4ओह (वायु), 28-30%) के लिए एक अलग चोंच में आसुत पानी की १८० मिलीलीटर को जोड़ने के लिए ३.०% पतला अमोनिया समाधान बना ।
  3. अनुमापन और धुलाई एकल स्रोत जटिल प्रणेता
    1. एक burette में पिछले चरण में तैयार पतला अमोनिया समाधान जोड़ें और सुनिश्चित करें कि burette हर समय कवर किया जाता है, के बाद से अमोनिया समाधान के लिए जो अपनी एकाग्रता घट जाती है लुप्त हो जाता है ।
    2. पतला अमोनिया समाधान burette में lanthanum नाइट्रेट और hafnium dichloride ऑक्साइड dropwise की सरगर्मी समाधान में जोड़ें ।
    3. तदनुसार अमोनिया समाधान की गिरती गति को समायोजित करें ताकि यह 2 एच की अवधि में जोड़ दिया जाएगा ।
    4. अमोनिया समाधान के कई मिलीलीटर के बाद वितरित किया गया है, सुनिश्चित करें कि समाधान बादल बन जाता है । यह एक सरल संकेत है कि एक ला के स्रोत परिसर अग्रदूत की हाला (OH)3· एचएफओ (OH)2· न एच२ओ बनाना है.
    5. 2 घंटे के बाद, चमचे बार निकालें और रात भर उंर के लिए हाला की अनुमति देते हैं ।
    6. धोने से पहले coprecipitated समाधान के पीएच की जांच करें । आसुत जल के साथ तेज जब तक supernatant एक तटस्थ पीएच है, जो आम तौर पर 5-8 बहाकर ले जाता है पहुंचता है ।
  4. वैक्यूम निस्पंदन और प्रणेता के सुखाने
    1. निर्वात फ़िल्टर coprecipitated समाधान एक मोटे porosity के साथ एक फिल्टर कागज का उपयोग (40-60 µm; सामग्री की तालिकादेखें) के लिए ठोस हाला supernatant से अलग करने के लिए ।
    2. सुनिश्चित करें कि सभी जटिल अग्रदूत अवशेष चोंच की दीवारों से धोया जाता है ।
    3. एयर शुष्क परिणामस्वरूप एकल स्रोत परिसर प्रणेता ला (OH)3· एचएफओ (OH)2· न रात भर कमरे के तापमान पर एच2ओ.

2. पिघला हुआ-नमक Lanthanum Hafnate एनपीएस का संश्लेषण

  1. नमक और प्रणेता मिश्रण तैयार करना
    1. सोडियम नाइट्रेट (नैनो3) के पोटेशियम नाइट्रेट (KNO3) और 30 mmol (२.५४९ ग्राम) के 30 mmol (३.०३३ ग्राम) को मापने ।
    2. के रूप में तैयार की ०.३५ जी के साथ मापा लवण जुडा एकल स्रोत परिसर प्रणेता ला (OH)3· एचएफओ (OH)2· न एच२ओ.
    3. यदि आवश्यक हो, पीसने की सुविधा के लिए मिश्रण करने के लिए एसीटोन या इथेनॉल के 1-5 मिलीलीटर जोड़ें । सुनिश्चित करें कि सभी विलायक एक क्रूसिबल में मिश्रण रखने से पहले सुखाया है ।
    4. एक मोर्टार और मूसल का उपयोग कर के बारे में 30 मिनट के लिए संभव के रूप में मिश्रित लवण और अग्रदूत के रूप में ठीक पीस ।
  2. पिघला हुआ-नमक प्रसंस्करण
    1. एक कोरण्डम क्रूसिबल में जिसके परिणामस्वरूप मिश्रण प्लेस, तो यह एक ओढ़ना भट्ठी में जगह है ।
    2. 10 ° c/मिनट की एक रैंप दर के साथ 6 एच के लिए ६५० ° c पर भट्ठी सेट करें ।
    3. नमूना और भट्ठी के बाद कमरे के तापमान को ठंडा है, बाहर ले क्रूसिबल और एक चोंच में नमूने भिगोना रात भर आसुत पानी से भरा ।
  3. धुलाई आणि सुखाने ला२Hf२हे७ एनपीए
    1. क्रूसिबल से नमूने को 1 एल चोंच में खाली कर दीजिये ।
    2. आसुत पानी के साथ नमूना धो 5-8 बार जब तक supernatant नमक के स्पष्ट है और नहीं बादल अब ।
    3. किसी भी अवशिष्ट अशुद्धता को दूर करने के लिए केंद्रापसारक या वैक्यूम निस्पंदन द्वारा उत्पाद शुद्ध ।
    4. ९० डिग्री सेल्सियस पर ओवन में रातोंरात उत्पाद सूखी ।

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Representative Results

के रूप में-संश्लेषित ला2Hf2हे7 एनपीएस क्रमित pyrochlore चरण में मौजूद हो सकते हैं । हालांकि, रासायनिक डोपिंग, दबाव, और तापमान fluorite दोष करने के लिए चरण को संशोधित कर सकता है । यह हमारे सामग्री के लिए कई चरणों के लिए संभव है; हालांकि, यहां हम केवल सादगी के लिए pyrochlore चरण पर ध्यान केंद्रित । एक्स-रे विवर्तन (XRD) और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी उनके चरण पवित्रता, संरचना, और चरण को व्यवस्थित करने के लिए इस्तेमाल किया गया है । क्रिस्टलीय आकार Debye-Scherrer के सूत्र का उपयोग कर परिकलित किया जा सकता है । दूसरी ओर, रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी एक माध्यमिक संरचनात्मक लक्षणीय तकनीक के कारण एम के लिए उच्च संवेदनशीलता के रूप में प्रयोग किया जाता है-O कंपन मोड28। यह ला2Hf2O7 एनपीए29के सटीक crystallographic चरण को पहचानता है ।

ऐसे ठोस राज्य प्रतिक्रियाओं के रूप में अंय सिंथेटिक तकनीकों की तुलना में, MSS एक उच्च प्रतिक्रिया निरंतर है, जिसका अर्थ है कि प्रतिक्रिया और आगे की दिशा में जाने की संभावना है30। pyrochlore ला2Hf2हे7 का उत्पादन संपर्क चेहरे का क्षेत्र और पिघला हुआ नमक प्रणाली के अंदर प्रतिक्रिया प्रजातियों की गतिशीलता में वृद्धि के द्वारा हासिल की है । चित्रा 2 संश्लेषित La2Hf2हे7 एनपीएस के XRD पैटर्न को दर्शाता है, जो एकल स्रोत परिसर में अमोनिया समाधान के विभिन्न सांद्रता का उपयोग करके MSS विधि द्वारा बनाया गया है । XRD परिणाम से पता चलता है के गठन के शुद्ध ला2Hf2हे7 उच्च crystallinity के साथ । चोटी की स्थिति और मिलर सूचकांक पाउडर विवर्तन मानक (JCPDS) पैटर्न #78-१२९२ पर संयुक्त समिति के आधार पर अनुक्रमित किया जा सकता है । जैसे ला2ओ3, यूरोपीय संघ2ओ3, या एचएफओ2 के रूप में कोई दिखाई नापाक चरणों का पता लगाया गया । कण आकार की वृद्धि के लिए छोड़कर प्रयुक्त अमोनिया एकाग्रता का एक समारोह के रूप में XRD पैटर्न में कोई परिवर्तन नहीं है । सारणी 1 इसी परिकलित क्रिस्टल पैरामीटर और ला2Hf2हे7 एनपीएस के कण आकार से पता चलता है ।

Figure 2
चित्रा 2 : एक्स-रे विवर्तन ला के पैटर्न 2 Hf 2 हे 7 एनपीएस का उपयोग अमोनिया समाधान एकाग्रता का समायोजन करके तैयार किया तो दोष fluorite पैटर्न के आधार पर अनुक्रमित । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

एनएच4की एकाग्रता ओह (वायु) इस्तेमाल किया संश्लेषित ला२Hf२हे७ एनपीएस का XRD डेटा
2θ (°) FWHM (β) जाली पैरामीटर (Å) कण आकार (एनएम)
[०.७५%] २८.५७ ०.४ १०.८१ १९.००
[१.५%] २८.६४ ०.३९ १०.७९ २०.००
[३.०%] २८.६७ ०.३७ १०.७८ २१.००
[६.०%] २८.६९ ०.३१ १०.७७ २६.००
[७.५%] २८.७४ ०.२७ १०.७५ २९.००

सारणी 1 : Crystallographic पैरामीटर और ला के कण आकार 2 Hf 2 हे 7 एनपीएस ने तैयार किया इस्तेमाल अमोनिया समाधान एकाग्रता एक सतत कण आकार वृद्धि दिखा । FWHM = पूर्ण-चौड़ाई पर आधा-अधिकतम ।

एक2बी2हे7 यौगिकों के दो आम चरण हैं: परिक्रमा fluorite चरण और आदेश दिया pyrochlore चरण । परिक्रमा fluorite चरण Fm3̅m अंतरिक्ष समूह में मौजूद है, जिसमें सभी cationic आयनों (एक3 + और बी4 +) बेतरतीब ढंग से वितरित कर रहे हैं, एक सक्रिय मोड के लिए अनुमति देता है. दूसरी ओर, आदेश दिया pyrochlore चरण Fd3̅m अंतरिक्ष समूह में मौजूद है । इसलिए, यह fluorite चरण के करीब संरचनात्मक सादृश्य को छोड़कर दर्शाती है कि वहां दो cationic साइटों, तीन anionic साइटों रहे है [48f (हेमैं), 8a (हेद्वितीय), और 8b (ओiii)], और ऑक्सीजन आयनों के 1/8वें (ओiii) 8b पर साइट pyrochlore संरचना में अनुपस्थित, 6 सक्रिय मोड के लिए अनुमति देता है19,28,29। समूह सिद्धांत के आधार पर दोष fluorite संरचना टी2जीके कारण एक कंपन मोड है, जबकि एक pyrochlore चरण 200-1000 cm-1की सीमा में छह कंपन मोड है । यह जानकारी ला2Hf2O7 एनपीए (चित्रा 3) के सही चरण पहचान के लिए महत्वपूर्ण है । इस मामले में तैयार ला2Hf2O7 एनपीए शुद्ध pyrochlore रूप में हैं ।

Figure 3
चित्रा 3 : रमन स्पेक्ट्रा ऑफ ला 2 Hf 2 हे 7 एनपीएस pyrochlore चरण से संबंधित छह सक्रिय मोड के साथ, प्रयुक्त अमोनिया समाधान एकाग्रता का समायोजन करके तैयार किया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

चित्रा 4 में चार्ट के कई विश्वसनीय नियंत्रित कारक प्रदान करता है MSS विधि और वैकल्पिक मार्ग के लिए खातों के लिए ठीक धुन संश्लेषित मैटीरियल्स की सुविधाओं । इसके अलावा, यह MSS प्रक्रिया में महत्वपूर्ण चरणों की पहचान करने में मदद करता है ।

Figure 4
चित्रा 4 : MSS के महत्वपूर्ण चरणों का प्रवाह, उनकी विशेषताओं को फ़ाइन-ट्यून करने के लिए संभावित मार्ग के साथ एनपीएस के लिए सिंथेटिक प्रक्रिया के नियंत्रित कारकों का संकेत है. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

सबसे पहले, पुरोगामी की पहचान महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से जटिल धातु ऑक्साइड एनपीएस के संश्लेषण के लिए । जब एक2बी2ओ7 एनपीएस का निर्माण, यह महत्वपूर्ण है कि पहले एक एकल स्रोत जटिल अग्रदूत है कि मुख्य ऊपर अंतिम उत्पाद बनाने तत्वों [अर्थात्, ए और बी, एक (OH)3 के फार्मूले के साथ एक परमाणु स्तर पर शामिल उत्पंन · बो (OH)2· न एच2ओ] । इस प्रयोग में, अंतिम ला2Hf2हे7 एनपीएस के कण आकार titrant अमोनिया समाधान की एकाग्रता का समायोजन करके इस कदम के दौरान नियंत्रित किया जा सकता है, जहां एक उच्च अमोनिया समाधान एकाग्रता बड़ा ला उत्पंन 2 Hf२हे७ एनपीए आहेत. अन्य परीक्षणों में भी 2 बी 2 ओ7 एनपीएसका उपयोग करते हुए विभिन्न पुरोगामीों का प्रयोग किया गया है, जैसे कि वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध नाइट्रेट्स या आक्साइड के मुख्य तत्वों से युक्त2बी2ओ7; हालांकि, कोई भी4काम किया है । इस अमली एकल स्रोत परिसर प्रणेता के लाभ यह है कि एक2बी2ओ7 की रचना तत्वों एक परमाणु स्तर पर मिश्रित कर रहे है और homogeneously एक ही क्रम में वितरित कर रहे है के रूप में अंतिम एक2बी2 हे7 उत्पाद, अंतरिक्ष या सीमा पर जो reactants की जरूरत को कम करने के लिए ले जाया जा ।

दूसरा, उचित पिघला हुआ नमक के चयन वांछनीय आकृति विज्ञान और विशेषताओं के साथ मैटीरियल्स प्राप्त करने में प्रमुख महत्व है । चयनित नमक के पिघलने बिंदु मैटीरियल्स के आवश्यक चरण के संश्लेषण के लिए उपयुक्त होना चाहिए । मैटीरियल्स के गठन अंततः ऐसे क्षार क्लोराइड, सल्फेट, कार्बोनेट, या हीड्राकसीड1,6,31,३२के रूप में पिघला हुआ सॉल्वैंट्स के रूप में इस्तेमाल किया लवण के पिघलने बिंदु द्वारा नियंत्रित है । यह बताया गया है कि अलग पिघला हुआ लवण के उपयोग के गठन के तापमान को संशोधित कर सकते हैं, जिससे कण आकार और18आकृति परिवर्तन ।

इसके अलावा, रैंप दर पर एनपीएस के संश्लेषण को प्रभावित करते हैं । एक तेजी से रैंप दर agglomerated एनपीएस३३उत्पंन करते हैं, जो उनके गुणों को प्रभावित करता है । luminescent और जुटाना सामग्री के मामले में, उच्च ढेर वांछनीय नहीं है, के रूप में यह उत्तेजित और उत्सर्जित प्रकाश17,19तितर बितर कर सकते हैं । एक धीमी गति से रैंप की दर इस प्रकार अधिक उपयुक्त है और क्रूसिबल के अंदर वास्तविक तापमान तक पहुंचने के लिए पर्याप्त समय की अनुमति देता है । एक धीमी कूलिंग प्रक्रिया आमतौर पर एनपीएस के लिए एक गोलाकार आकार के साथ३४फार्म के लिए अनुमति देता है ।

नमक के चयन के लिए एक अंय महत्वपूर्ण कसौटी यह है कि यह पर्याप्त जलीय घुलनशीलता होना चाहिए । पानी से सरल धोने के साथ, इस्तेमाल किया पिघला हुआ नमक आसानी से दूर किया जाना चाहिए के बाद MSS ।

अंत में, एक अस्थिर तरल के अलावा ऐसे एसीटोन और इथेनॉल के रूप में इस्तेमाल किया लवण और एकल स्रोत परिसर अग्रदूत साबित में मदद करता है पीसने की प्रक्रिया को कम करने के मिश्रण के दौरान, लेकिन आवश्यक नहीं है । एक तरल के अलावा एक छोटे समय में एक समरूप मिश्रण बनाने के लिए उपयोगी है और कम प्रयास है, जो शुद्ध उत्पादों को पैदा करने में महत्वपूर्ण है की आवश्यकता है । यह पूरी तरह से पीसने की प्रक्रिया के अंत तक वाष्प बनता है के बाद से जोड़ा अस्थिर तरल परिणामी एनपीएस की विशेषताओं को प्रभावित नहीं करता है । अपनी उच्च अस्थिरता के कारण, राशि जोड़ सकते है कहीं भी 1 से 5 मिलीलीटर की सीमा ।

MSS विधि किसी भी विश्वविद्यालय और औद्योगिक स्थान पर एनपीए को संश्लेषित करने का एक सीधा और सरल तरीका है । हालांकि, प्रोटोकॉल में संशोधन किया जा सकता है । उदाहरण के लिए, मामले में एक वैक्यूम फिल्टर प्रणाली उपलब्ध नहीं है, एकल स्रोत जटिल coprecipitation कदम से प्राप्त अग्रदूत साबित किया जा सकता है । अलग eutectic नमक मिश्रण वांछित विशेषताओं के साथ एनपीए इंजीनियर के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।

हालांकि MSS विधि आम तौर पर कार्यरत होना आसान है, सीमाएं शामिल है (1) उत्पाद गठन की संभावना प्रतिक्रिया1में भिंन reactants के संपर्क क्षेत्र द्वारा सीमित किया जा रहा है । इसके अतिरिक्त, (2) नहीं हर नैनोसंरचित उत्पाद चयनित पिघला हुआ लवण के भीतर गठन किया जा सकता है । इन मामलों दुर्लभ हैं, लेकिन निश्चित रूप से३५हो सकता है । यह वांछनीय है कि चयनित लवण केवल शुद्ध सॉल्वैंट्स के रूप में कार्य करते है और reactants या उत्पादों के साथ प्रतिक्रिया नहीं है । इसके अलावा, आम गलतियों कि अंतिम nanoparticle उत्पादों की गुणवत्ता में बाधा हो सकती है निंनलिखित शामिल हैं: (1) पहले, यदि burette अनुमापन के दौरान कवर नहीं है, यह अमोनियम हीड्राकसीड की एकाग्रता में परिवर्तन और अंततः बदल सकते है प्राप्त नैनोकणों का आकार । एक अंय आम गलती है (2) coprecipitation दो घंटे की अवधि के रूप में नहीं दे रही है । अमोनिया titrant भी तेजी से जोड़ने coprecipitation कैनेटीक्स, जो सजातीय जटिल अग्रदूत प्रदान हो सकता है प्रभावित करता है । तीसरा ख़तरा है (3) नमक (ओं) पीस नहीं है और संभव के रूप में ठीक है, जो अशुद्ध उत्पादों या सजातीय कणों उत्पंन के रूप में (ओं) के अग्रदूत ।

MSS विधि, सरल, प्रभावी, तेज, कम तापमान, और लागत कुशल के रूप में पहले से रिपोर्ट परिणामों के साथ साबित, पारंपरिक ठोस राज्य और सोल-जेल/दहन संश्लेषण तरीकों27की तुलना में । यह भी स्केलेबल, विश्वसनीय है, और सामान्य रूप से एक सतह सुरक्षात्मक परत के बिना ढेर मुक्त एनपीएस बनाने के लिए संबंध है, कोलाइडयन और जलतापीय/solvothermal संश्लेषण तरीकों के विपरीत.

MSS विधि का अनुप्रयोग व्यापक रूप से दशकों के पिछले कुछ में फैला हुआ है, ferroelectric और ferromagnetic सामग्री से ली आयन बैटरी के लिए सामग्री के लिए३६, अर्धचालक17,३७, फास्फोरस17, 19, और इलेक्ट्रो-उत्प्रेरक३८,३९, मुख्य रूप से nanosized सामग्री के लिए, विशेष रूप से जटिल रचनाओं के साथ उन. अंत में, MSS विधि सरल और जटिल धातु ऑक्साइड एनपीएस के संश्लेषण में एक उपयुक्त मार्ग प्रदान करती है । यह आशा की जाती है कि MSS विधि मैटीरियल्स और अधिक व्यापक रूप से आगामी वर्षों में nanoscience और नैनो समुदाय में कार्यरत के लिए एक और भी अधिक लोकप्रिय संश्लेषण विधि बन जाएगी ।

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Disclosures

घोषित करने के लिए कोई विरोध नहीं हैं ।

Acknowledgments

लेखक ' चे (पुरस्कार #1710160) और USDA राष्ट्रीय खाद्य और कृषि संस्थान (पुरस्कार #2015-38422-24059) के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा प्रदान की वित्तीय सहायता का धंयवाद । टेक्सास के विश्वविद्यालय रियो Grande वैली में रसायन विज्ञान विभाग के उदार रॉबर्ट ए वेल्च फाउंडेशन से एक विभागीय अनुदान द्वारा प्रदान की सहायता के लिए आभारी है (अनुदान सं । BX-००४८) । S.K.G. अपने फुलब्राइट नेहरू Postdoctoral फेलोशिप (अवार्ड #2268/fnpdr/2017) के लिए यूनाइटेड स्टेट्स-इंडिया एजुकेशन फाउंडेशन (USIEF) और द इंस्टीट्यूट ऑफ इंटरनेशनल एजुकेशन (आईआईई) को धन्यवाद देना चाहूंगा ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone, ACS, 99.5+% Alfa Aesar 67-64-1 Dried over 4A sieves
Hafnium dichloride oxide octahydrate, 98+% (metals basis excluding Zr), Zr <1.5% Alfa Aesar 14456-34-9 Hygroscopic
Lanthanum(III) nitrate hexahydrate Aldrich 10277-43-7 Hygroscopic
Potassium nitrate, ReagentPlus R, ≥99.0% Sigma-Aldrich 7757-79-1 Hygroscopic
Sodium nitrate, ReagentPlus R, ≥99.0% Sigma-Aldrich 7631-99-4
Ammonium hydroxide, 28% NH3, NH4OH Alfa Aesar 1336-21-6
Filter paper, P8 grade Fisherbrand

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रसायन विज्ञान अंक १४० Coprecipitation पिघला हुआ-नमक संश्लेषण जटिल धातु आक्साइड lanthanum hafnium ऑक्साइड नैनोकणों प्रणेता
पिघला हुआ-जटिल धातु ऑक्साइड नैनोकणों के नमक संश्लेषण
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Zuniga, J. P., Abdou, M., Gupta, S.… More

Zuniga, J. P., Abdou, M., Gupta, S. K., Mao, Y. Molten-Salt Synthesis of Complex Metal Oxide Nanoparticles. J. Vis. Exp. (140), e58482, doi:10.3791/58482 (2018).

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