Summary
Hier tonen we een unieke, relatief lage temperatuur, gesmolten zout synthese-methode voor het opstellen van uniforme complexe metaaloxide lanthanium hafnate nanodeeltjes.
Abstract
De ontwikkeling van haalbare synthesemethoden is essentieel voor de succesvolle exploratie van nieuwe eigenschappen en toepassingsmogelijkheden van nanomaterialen. Hier introduceren we de gesmolten-zout synthese (MSS) methode voor het maken van metaaloxide nanomaterialen. Voordelen ten opzichte van andere methoden omvatten haar eenvoud, groenheid, betrouwbaarheid, schaalbaarheid en dan. Met behulp van pyrochloor hafnium lanthaanoxide (La2van Hf2O7) als vertegenwoordiger, beschrijven we het MSS-protocol voor de geslaagde synthese van complexe metaaloxide nanodeeltjes (NPs). Deze methode heeft bovendien de unieke vermogen om te produceren van NPs met verschillende materiële functies door verschillende synthese parameters zoals pH, temperatuur, duur en na gloeien te wijzigen. Door "fine-tuning"-deze parameters, kunnen wij zeer uniform, niet-geperst en zeer kristallijne NPs synthetiseren. Als een specifiek voorbeeld variëren wij de deeltjesgrootte van de La2Hf2O7 NPs door het veranderen van de concentratie van de ammoniumhydroxide-oplossing gebruikt bij de MSS-proces, dat laat ons toe om verder te onderzoeken met het effect van deeltjesgrootte op verschillende Eigenschappen. Verwacht wordt dat de methode MSS een meer populaire synthese methode voor nanomaterialen en meer algemeen in de nanowetenschap en nanotechnologie Gemeenschap werkzaam in de komende jaren zal worden.
Introduction
Gesmolten-zout synthese (MSS) impliceert het gebruik van een gesmolten zout als de reactie medium voor het voorbereiden van nanomaterialen van hun samenstellende precursors. Het gesmolten zout fungeert als het oplosmiddel en de verbeterde reactiesnelheid vergemakkelijkt doordat het contactoppervlak tussen reactanten en hun mobiliteit. De keuze van gesmolten zouten is van het allergrootste belang voor het welslagen van de MSS-methode. Het zout moet voldoen aan enkele belangrijke kwaliteitseisen zoals lage smeltpunt, compatibiliteit met reagerende soorten en optimale oplosbaarheid in water. Gesmolten zout nog eerder is gebruikt om het tarief van solid-state reacties; echter, in een systeem van flux, slechts een kleine hoeveelheid van gesmolten zout wordt gebruikt (in tegenstelling tot in MSS, waarin een grote hoeveelheid aan vormen een oplosbare medium voor de reactie en de controle van de eigenschappen van de gesynthetiseerde nanomaterialen, zoals deeltjesgrootte, vorm en kristalliniteit is toegevoegd enz.). In die zin is MSS een wijziging van de poeder metallurgische methode en verschillend van de flux methode1,2,3. De werkgelegenheid van gesmolten zout kan (1) toename reactie kinetische tarief4 terwijl er een afname van synthese temperatuur5, (2) verhoging van de mate van reactieve homogeniteit6, (3) kristallijne grootte en morfologie7, en bepalen (4) vermindering van het niveau van de agglomeratie.
Nanomaterialen zijn in hoge vraag in wetenschappelijk onderzoek en nieuwe industriële toepassingen vanwege hun superieure elektrische, chemische, magnetische, optische, elektronische en thermische eigenschappen. Hun eigenschappen zijn sterk afhankelijk van de deeltjesgrootte, vorm en kristalliniteit. Vergeleken met andere synthesemethoden voor nanomaterialen, heeft MSS een aantal duidelijke voordelen; Hoewel, het is nog niet zo bekend als andere synthesemethoden in de Gemeenschap van nanowetenschap en nanotechnologie. Zoals hieronder beschreven, omvatten deze voordelen zijn eenvoud, betrouwbaarheid, schaalbaarheid, dan, milieuvriendelijkheid, kosteneffectiviteit, synthese van relatieve lage temperatuur en gratis agglomeratie van NPs met schoon oppervlak8.
Eenvoud: Het MSS proces kan gemakkelijk plaatsvinden in een eenvoudige laboratorium met basisfaciliteiten. Geen verfijnde instrumentatie is nodig. Precursoren en gesmolten zouten zijn stabiel met geen noodzaak voor handschoenenkastje hanteren.
Betrouwbaarheid: Zodra alle initiële synthese parameters zoals concentratie, pH, verwerkingstijd en gloeien temperatuur zijn geoptimaliseerd, kwalitatief hoogwaardige en pure producten zijn verzekerd van bij het gebruik van de methode MSS. Als alle synthese stappen correct zijn uitgevoerd, kunnen de eindproducten alle fundamentele criteria nodig voor kwalitatief goede NPs bereiken. Een beginner tot de MSS-methode verandert niet het resultaat van de synthese, zolang alle synthese parameters worden correct en zorgvuldig gevolgd.
Schaalbaarheid: Van de methode van de MSS vermogen om te produceren grote hoeveelheden van grootte en vorm-gestuurde deeltjes is van cruciaal belang. Deze kritische factor is belangrijk, omdat het voorziet in de bepaling van industriële nut en efficiëntie. Vergeleken met andere technieken synthese, kan MSS gemakkelijk een voldoende hoeveelheid producten genereren door stoichiometrische bedragen aan te passen tijdens het proces. Dit is een belangrijk kenmerk van de methode, omdat het zorgt voor gemak op het industriële niveau, waardoor het een meer gewenste aanpak als gevolg van deze schaalbaarheid9,10.
Dan: De MSS-methode is ook een gegeneraliseerd techniek voor de productie van nanodeeltjes met verschillende samenstellingen. Anders dan eenvoudige metaaloxiden en sommige fluoriden, omvatten nanomaterialen van complexe metaaloxiden, die hebben al met succes gesynthetiseerd door de MSS-methode perovskites (ABO3)10,11,12, 13,14, spinel (AB2O4)15,16, pyrochloor (een2B2O7)4,17,18, 19, en orthorhombisch structuren (een2B4O9)2,3,20. Meer in het bijzonder omvatten deze nanomaterialen ferrieten, titanates, niobates, mulliet, aluminium-boraat, wollastoniet en koolzuurhoudende apatiet7,9,21. De MSS-methode is ook gebruikt voor de productie van nanomaterialen van diverse morphologies zoals nanospheres4, keramiek poeder organen22, nanoflakes23, nanoplates7, nanostaafjes24en core-shell nanodeeltjes (NPs)25, afhankelijk van de voorwaarden van de synthese en kristalstructuur van de producten.
Milieuvriendelijkheid: verschillende traditionele methoden voor het maken van nanomaterialen wordt gekenmerkt door het gebruik van grote hoeveelheden van organische oplosmiddelen en toxische agentia die genereren van milieukwesties. De gehele of gedeeltelijke afschaffing van het gebruik van hen en het ontstaan van afval door duurzame processen is in het aanbod van groene chemie tegenwoordig8. De MSS-methode is een milieuvriendelijke aanpak voor het synthetiseren van nanomaterialen door dienst niet giftig chemische en hernieuwbare materialen en het minimaliseren van afval, bijproducten en energie.
Synthese van relatieve lage temperatuur: de temperatuur van de verwerking van de MSS-methode is relatief laag in vergelijking met die in een conventionele solid-state reactie26 of een sol-gel verbranding reactie27vereist. Deze lagere temperatuur bespaart energie terwijl de productie van kwalitatief hoogwaardige NPs.
Kosteneffectiviteit: The MSS methode vereist geen harde of dure reactanten of oplosmiddelen noch enige gespecialiseerde instrumentatie. Water is de belangrijkste oplosmiddel gebruikt voor het wegwassen van de gebruikte gesmolten zouten, die ook goedkoop zijn. Bovendien, experimentele opstelling nodig bevat alleen eenvoudige glaswerk en een oven zonder gespecialiseerde instrumentatie, terwijl nanomaterialen met complexe samenstelling en vuurvaste aard kan worden geproduceerd.
Agglomeratie gratis met schoon oppervlak: tijdens de MSS proces, de gevormde nanodeeltjes zijn goed verspreid in het gesmolten zout medium als gevolg van de grote hoeveelheid, gebruikt samen met haar hoge Ionische sterkte en viscositeit1,6, 8. in tegenstelling tot colloïdale synthese en meeste hydrothermale/solvothermal processen, geen beschermende toplaag is noodzakelijk om te voorkomen dat de continue groei en de agglomeratie van de gevormde NPs.
Voorbeeldige synthese van complexe metaaloxide NPs door de MSS-methode: de MSS methode als een universele en kosteneffectieve benadering van rationeel en grootschalige synthetiseren van nanomaterialen voor een voldoende breed spectrum van materiaal kan zeer worden toegejuicht door wetenschappers werken in de nanowetenschap en nanotechnologie. Hier, lanthanium hafnate (La2van Hf2O7) werd geselecteerd vanwege haar multifunctionele toepassingen op het gebied van X-ray imaging, hoge k-diëlektrische luminescentie, Thermografisch fosfor, thermische barrière coating, en nucleaire afval host. La2Hf2O7 is ook een goede gastheer voor gedoopt scintillatoren vanwege zijn hoge dichtheid, grote effectieve atoomnummer en de mogelijkheid van de kristalstructuur te worden ontworpen samen met een faseovergang volgorde-stoornis. Het behoort tot de A2B2O7 familie van verbindingen, waarin "A" is een rare - earth element met een oxidatiegetal + 3, en "B" vertegenwoordigt een overgang metalen element met een oxidatiegetal + 4. Echter, als gevolg van de vuurvaste aard en ingewikkelde chemische samenstelling, is er een gebrek aan juiste lage-temperatuur en grootschalige synthesemethoden voor La2Hf2O7 NPs.
Voor fundamenteel wetenschappelijk onderzoek en geavanceerde technologische toepassingen is het een voorwaarde te maken monodispers, kwalitatief hoogwaardige, uniforme een2B2O7 NPs. Hier gebruiken we de synthese van zeer kristallijne La2Hf2O7 NPs als een voorbeeld om aan te tonen van de voordelen van de MSS-methode. Schematisch weergegeven in figuur 1, La2Hf2O7 NPs werden voorbereid door de methode MSS met een proces van twee stappen, na onze vorige verslagen. Eerste, een single-source complexe voorloper van La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O was bereid via een coprecipitation route. In de tweede stap, grootte-controleerbaar La2Hf2O7 NPs werden gesynthetiseerd door middel van de facile MSS proces met behulp van de single-source complex voorloper en nitraat mengsel (NaNO3: KNO3 = 1:1, molaire verhouding) op 650 ° C gedurende 6 uur.
Figuur 1 : Schematische voorstelling van de synthese stappen voor La 2 Hf 2 O 7 NPs via de methode MSS. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bereiding van de complexe voorloper van de Single-Source via een Coprecipitation Route
- Bereiding van lanthaan en hafnium voorloper-oplossing
- Meet 200 mL gedestilleerd water in een bekerglas van 500 mL en start roeren bij 300 omwentelingen per minuut.
- Ontbinden Lanthanium en hafnium precursoren in het opzwepende water [dat wil zeggen, 2.165 g lanthanium nitraat-hexahydraat (La (3)3•6H2O) en 2.0476 g van hafnium dichloride oxide octahydrate (HfOCl2•8H2O)].
- Laat de oplossing roer gedurende 30 min voordat de titratie.
- Bereiding van verdunde ammoniakoplossing
- 200 mL van de verdunde ammonia met verschillende concentraties, met inbegrip van 0,75%, 1,5% 3,0%, 6,0% en 7,5% voor te bereiden. Bijvoorbeeld, Voeg 20 mL geconcentreerde ammonia (NH4OH- (aq), 28-30%) tot 180 mL gedestilleerd water in een afzonderlijk bekerglas om 3,0% verdunde ammoniakoplossing te maken.
- Titratie en wassen van de complexe voorloper van één bron
- Voeg de verdunde ammoniakoplossing bereid in de vorige stap in een buret en zorgen dat de buret te allen tijde, gedekt is aangezien ammoniumhydroxide-oplossing neiging te verdampen die vermindert de concentratie.
- Voeg de verdunde ammoniakoplossing in de buret in de roeren oplossing van lanthaanoxide nitraat- en hafnium dichloride ontkleuring.
- De snelheid van de uitwerpselen van de ammoniakoplossing dienovereenkomstig aanpassen zodat het zal worden toegevoegd over een periode van 2 h.
- Na verschillende mL ammoniakale oplossing zijn geleverd, zorgen dat de oplossing troebel wordt. Dit is een eenvoudige ondertekenen die de neerslag van de single-source complexe voorloper van La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O vormt.
- Na 2U, verwijderen van de roeren bar en laat het neerslag 's nachts leeftijd.
- Controleer de pH van de coprecipitated oplossing vóór het wassen. Was het neerslag met gedestilleerd water totdat het supernatans tot een neutrale pH, die normaal gesproken 5-8 wasbeurten duurt.
- Vacuüm filtratie en drogen van de voorloper
- Vacuüm Filtreer de coprecipitated oplossing met behulp van een filtreerpapier met een grof porositeit (40-60 µm; Zie Tabel van materialen) te scheiden van de vaste neerslag uit het supernatant.
- Zorg ervoor dat alle resten van complexe voorloper van de wanden van het bekerglas worden gewassen.
- Lucht drogen de resulterende complex voorloper van single-source La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O bij kamertemperatuur 's nachts.
2. gesmolten-zout synthese van lanthaan Hafnate NPs
- Voorbereiding van een mengsel van zout en voorloper
- 30 mmol (3.033 g) van kaliumnitraat (KNO3) en 30 mmol (2.549 g) van natriumnitraat p.a. (NaNO3) meten.
- De gemeten zouten combineren met 0.35 g van de als-bereid single-source complexe voorloper La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O.
- Voeg desgewenst 1-5 mL aceton of ethanol toe aan het mengsel te vergemakkelijken het slijpen. Zorg ervoor dat alle het oplosmiddel verdampt is alvorens het mengsel in een smeltkroes.
- Het grind van de gemengde zouten en voorloper zo fijn mogelijk gedurende ongeveer 30 minuten met behulp van een mortier en een stamper.
- Verwerking van gesmolten-zout
- Plaats het resulterende mengsel in een smeltkroes van korund, dan plaatst het in een moffeloven oven.
- De oven vastgesteldop 650 ° C gedurende 6 uur met een snelheid van de helling van 10 ° C/min.
- Nadat het monster en de oven zijn afgekoeld tot kamertemperatuur, neem de filterkroes en geniet van het monster in een bekerglas gevuld met gedestilleerd water's nachts.
- Wassen en drogen van de La2Hf2O7 NPs
- Leeg de monster uit de kroes in een bekerglas van 1 L.
- Was het monster met gedestilleerd water 5 - 8 keer totdat het supernatans duidelijk van zouten en niet helder meer is.
- Het zuiveren van het product door centrifugeren of vacuüm filtratie verwijderen van alle resterende onzuiverheden.
- Het product in de oven op 90 ° C's nachts droog.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De als-gesynthetiseerd La2Hf2O7 NPs kan bestaan in de bestelde pyrochloor fase. Chemische doping, druk en temperatuur kunnen echter wel de fase om het defect fluoriet wijzigen. Het is mogelijk dat ons materiaal hebben meerdere fasen; Nochtans, concentreren wij hier alleen op de pyrochloor fase voor eenvoud. Röntgendiffractie (XRD) en Ramanspectroscopie hebben gebruikt om hun fase zuiverheid, structuur en fase systematisch te karakteriseren. De kristallijne grootte kan worden berekend met behulp van Debye-Scherrer formule. Aan de andere kant, Ramanspectroscopie wordt gebruikt als een secundaire structurele karakterisering techniek te wijten aan het hoge gevoeligheid tot en met M-O vibrationele modi28. Het identificeert de exacte kristallografische fase van de La2Hf2O7 NPs29.
Vergeleken met andere synthetische technieken zoals solid-state reacties, heeft MSS een constante hoge reactie, wat betekent dat de reactie is meer kans om te gaan in de voorwaartse richting30. De productie van pyrochloor La2Hf2O7 wordt bereikt door verhoging van de contactpunten van de Interfaciale en de mobiliteit van de reactieve soorten binnen het gesmolten zout systeem. Figuur 2 illustreert de XRD patronen van de gesynthetiseerde La2Hf2O7 NPs gemaakt door de MSS-methode van de single-source complexe precursors met behulp van verschillende concentraties ammoniakale oplossing. XRD resultaten toont de vorming van pure La2Hf2O7 met hoge kristalliniteit. De positie van de piek en Miller indices kunnen worden geïndexeerd op basis van het Gemengd Comité betreffende poeder diffractie standaard (JCPDS) patroon #78-1292. Geen zichtbare onzuiverheid fasen zoals La2O3, Eu2O3of HfO2 werden ontdekt. Er is geen verandering in XRD patroon als een functie van de concentratie van de gebruikte ammoniak met uitzondering van de verhoging van de deeltjesgrootte. Tabel 1 biedt een overzicht van de bijbehorende berekende crystal parameter en deeltje grootte van de La2Hf2O7 NPs.
Figuur 2 : Röntgendiffractie patronen van de La 2 Hf 2 O 7 NPs bereid door de gebruikte ammoniak oplossing concentratie passen dan geïndexeerd op basis van het patroon van de fluoriet defect. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
| Concentratie van NH4OH(aq) gebruikt | XRD gegevens van de gesynthetiseerde La2Hf2O7 NPs | |||
| 2Θ (°) | FWHM (Β) | Rooster parameters (Å) | Deeltjesgrootte (nm) | |
| [0,75%] | 28.57 | 0.4 | 10,81 | 19.00 uur |
| [1.5%] | 28,64 | 0.39 | 10.79 | 20,00 |
| [3,0%] | 28.67 | 0.37 | 10.78 | 21,00 |
| [6,0%] | 28.69 | 0.31 | 10.77 | 26,00 |
| [7.5%] | 28.74 | 0.27 | 10,75 | 29.00 |
Tabel 1 : Kristallografische parameter en deeltje grootte van de La 2 Hf 2 O 7 NPs bereid door de gebruikte ammoniak oplossing concentratie laat een continue deeltje grootte groei passen. FWHM = volledige breedte op halve-maximum.
Er zijn twee gemeenschappelijke fasen van de A2B2O7 verbindingen: de wanordelijke fluoriet fase en de fase van de bestelde pyrochloor. De wanordelijke fluoriet fase bestaat in de Fm3̅m ruimtegroep, waarin alle de kationische ionen (3 + en B4 +) willekeurig zijn verdeeld, waardoor een actieve modus. Aan de andere kant, bestaat geordende pyrochloor fase in Fd3̅m ruimtegroep. Daarom, vertoont het nauwe structurele gelijkenis met fluoriet fase behalve dat er twee kationische sites, drie anionogene sites [48V (Oik), 8a (OII), en 8b (OIII)], en 1/8th van de zuurstof ionen (OIII) bij 8b site afwezig in de pyrochloor structuur, waardoor voor 6 actieve modi19,28,29. Op basis van de groepentheorie, heeft de structuur van de fluoriet defect een vibrerende modus als gevolg van T2g, terwijl een pyrochloor fase zes vibrationele modi in de range van 200-1000 cm-1 heeft. Deze informatie is van vitaal belang voor de identificatie van de juiste fase van de La2Hf2O7 NPs (figuur 3). In dit geval de bereid2O La2Hf-7 NPs zijn in pure pyrochloor vorm.
Figuur 3 : Raman spectra van de La 2 Hf 2 O 7 NPs voorbereid door het aanpassen van de concentratie van de gebruikte ammoniak oplossing, met zes actieve modi met betrekking tot de fase van pyrochloor. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De grafiek in Figuur 4 biedt verschillende betrouwbare controlerende factoren van de MSS-methode en de jaarrekening voor alternatieve trajecten te fine-tunen van de functies van gesynthetiseerde nanomaterialen. Daarnaast helpt het identificeren van de kritische stappen in het proces van MSS.
Figuur 4 : Stroomdiagram van de kritische stappen van MSS met vermelding van de controlerende factoren van de synthetische procedure voor NPs met potentiële trajecten te verfijnen van hun kenmerken. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Ten eerste, de identiteit van precursoren is kritisch zijn, vooral voor de synthese van complexe metaaloxide NPs. Bij het produceren van een2B2O7 NPs, is het belangrijk voor het eerst het genereren van een single-source complexe voorloper waarin de belangrijkste elementen die deel uitmaken van het eindproduct [dat wil zeggen, A en B, een atomaire niveau met de formule van A(OH)3 ·Bo(Oh)2· n H2O]. In dit experiment, kan de deeltjesgrootte van de definitieve La2Hf2O7 NPs tijdens deze stap worden gecontroleerd door de concentratie van de titrant ammoniakoplossing, waar een hogere concentratie van de oplossing van de ammoniak gegenereerd groter La passen 2 HF2O7 NPs. Andere proeven zijn ook uitgevoerd zodat een2B2O7 NPs met behulp van verschillende precursoren, zoals commercieel beschikbare nitraten of stikstofoxiden met de belangrijkste elementen van een2B2O7; echter hebben geen4werkte. De voordelen van deze amorf single-source complexe voorloper zijn dat de componeren elementen van een2B2O7 zijn gemengd op atomaire niveau en homogeen zijn verdeeld in dezelfde volgorde staan als de finale een2B2 O7 product, verkleinen van de ruimte of het bereik waarop de reactanten moeten worden vervoerd.
Ten tweede, de selectie van de juiste gesmolten zout heeft groot belang bij het verkrijgen van nanomaterialen met wenselijk morfologie en kenmerken. Het smeltpunt van het geselecteerde zout moet geschikt zijn voor de synthese van de vereiste fase van nanomaterialen. De vorming van nanomaterialen wordt uiteindelijk bestuurd door het smeltpunt van zouten als gesmolten oplosmiddelen, zoals alkali chloride, sulfaat, carbonaat of hydroxide1,6,31,32gebruikt. Er werd gemeld dat het gebruik van verschillende gesmolten zouten de vorming temperatuur, waardoor het wijzigen van het deeltje grootte en morfologie18kunt wijzigen.
Daarnaast is de oprit tarief neiging om invloed op de synthese van de NPs. Een snelle oprit tarief heeft de neiging voor het genereren van geagglomereerde NPs33, die invloed op hun eigenschappen. In het geval van verlichte en scintillatie materialen, hoge agglomeratie is niet wenselijk, als het kan scatter opgewonden en uitgestraalde licht17,19. Een langzame oprit tarief is dus meer geschikt en laat voldoende tijd tot de werkelijke temperatuur in de Kroes. Een langzamer koelproces voorziet meestal in NPs met een bolvorm te vormen van34.
Een ander belangrijk criterium voor de selectie van het zout is dat er voldoende oplosbaarheid in water. Met eenvoudige wassen door water, moet de gebruikte gesmolten zout gemakkelijk weggewassen worden na de MSS.
Tot slot, de toevoeging van een vluchtige vloeistoffen zoals aceton en ethanol tijdens het mengen van de zouten gebruikt e veloce single-source complexe voorloper helpt het maalprocédé maar is niet essentieel. De toevoeging van een vloeistof is handig om een homogeen mengsel in een kortere tijd en vergt minder inspanning, die belangrijk is bij het genereren van pure producten. De toegevoegde vluchtige vloeistof heeft geen invloed op de kenmerken van de resulterende NPs omdat het volledig door het einde van het maalprocédé verdampt. Als gevolg van de hoge volatiliteit, kan de toegevoegde hoeveelheid variëren overal van 1 tot 5 mL.
De MSS-methode is een eenvoudig en eenvoudige manier voor het synthetiseren van NPs op elk Universiteit en industriële locatie. Echter kunnen de wijzigingen van het protocol worden aangebracht. Bijvoorbeeld in het geval dat een vacuüm filtersysteem niet beschikbaar is, kan de complexe voorloper van single-source, verkregen uit de coprecipitation stap worden gecentrifugeerd. Verschillende eutectische zout mengsels kunnen worden gebruikt om ingenieur NPs met de gewenste kenmerken.
Hoewel de methode MSS over het algemeen gemakkelijk is kunnen worden ingezet, omvatten beperkingen (1) de mogelijkheid van de productvorming wordt beperkt door de contactpunten van de ongelijke reactanten in de reactie1. Bovendien, (2) niet elke nanostructuur-product kan worden gevormd binnen geselecteerde gesmolten zouten. Deze gevallen zijn zeldzaam maar zeker35kunnen gebeuren. Het is wenselijk dat de geselecteerde zouten alleen als zuivere oplosmiddelen handelen en niet met de reactanten of producten reageren. Bovendien gemeenschappelijke fouten die belemmering voor de kwaliteit van de producten van de laatste nanoparticle vormen kunnen omvatten het volgende: (1) eerst, als de buret niet worden gedekt tijdens de titratie, dit kan veranderen van de concentratie van de ammoniumhydroxide en uiteindelijk veranderen de grootte van verkregen nanodeeltjes. Een andere veel voorkomende fout is (2) niet geven de coprecipitation een periode van twee uur te vormen. Het toevoegen van de ammoniak titrant te snel is van invloed op de kinetiek van de coprecipitation, waardoor inhomogene complexe voorloper kan. De derde valkuil is (3) de salt(s) en het uitgangsmateriaal bloemenextract zo fijn mogelijk, die onzuivere producten of inhomogene deeltjes genereert niet te slijpen.
De MSS-methode is een eenvoudige, effectieve, snelle, lage temperatuur en kosten-efficiënte zoals bewezen met eerder gerapporteerde resultaten, in vergelijking met conventionele solid-state en sol-gel/verbranding synthese methoden27. Het is ook met betrekking tot het maken van de agglomeratie-vrije NPs zonder een beschermende toplaag, in tegenstelling tot de colloïdale en hydrothermale/solvothermal synthesemethoden generaliseerbaar, schaalbaar en betrouwbaar.
Toepassing van de methode MSS is wijd verspreid in de laatste paar decennia, van ferroelektrische en Ferromagnetische materialen materialen voor Li-ion batterijen36, halfgeleiders17,37, fosforen17, 19, en electro-katalysatoren38,39, voornamelijk voor nanosized materialen, vooral die met complexe composities. Kortom, biedt de MSS-methode een geschikt traject in de synthese van eenvoudige en complexe metaaloxide NPs. Verwacht wordt dat de methode MSS een zelfs nog populairder synthese methode voor nanomaterialen en meer algemeen in de nanowetenschap en nanotechnologie Gemeenschap werkzaam in de komende jaren zal worden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Er zijn geen conflicten te verklaren.
Acknowledgments
De auteurs bedanken de financiële steun van de National Science Foundation onder CHE (award #1710160) en de USDA nationale Instituut voor voedsel en landbouw (award #2015-38422-24059). De afdeling scheikunde aan de Universiteit van Texas Rio Grandevallei is dankbaar voor de royale steun geboden door een departementale subsidie van de Robert A. Welch Foundation (Grant nr. BX-0048). S.K.G. wil de Verenigde Staten en India Education Foundation (USIEF) en het Instituut van International Education (IIE) bedanken voor zijn Fulbright Nehru Postdoctoral Fellowship (award #2268/FNPDR/2017).
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 |
References
- Kimura, T. Molten salt synthesis of ceramic powders. Advances in Ceramics. , InTech. Chapter 4 75-100 (2011).
- Mao, Y., Park, T. J., Wong, S. S. Synthesis of classes of ternary metal oxide nanostructures. Chemical Communications. 0 (46), 5721-5735 (2005).
- Mao, Y., Zhou, H., Wong, S. S. Perovskite-phase metal oxide nanostructures: Synthesis, properties, and applications. Material Matters. 5, 50-53 (2010).
- Mao, Y., Guo, X., Huang, J. Y., Wang, K. L., Chang, J. P. Luminescent nanocrystals with A2B2O7 composition synthesized by a kinetically modified molten salt Method. The Journal of Physical Chemistry C. 113 (4), 1204-1208 (2009).
- Yu, Y., Wang, S., Li, W., Chen, Z. Low temperature synthesis of LaB6 nanoparticles by a molten salt route. Powder Technology. 323, 203-207 (2018).
- Liu, X., Fechler, N., Antonietti, M. Salt melt synthesis of ceramics, semiconductors and carbon nanostructures. Chemical Society Reviews. 42 (21), 8237-8265 (2013).
- Chang, Y., Wu, J., Zhang, M., Kupp, E., Messing, C. L. Molten salt synthesis of morphology controlled alpha-alumina platelets. Ceramics International. 43 (15), 12684-12688 (2017).
- Mao, Y., Park, T. J., Zhang, F., Zhou, H., Wong, S. S. Environmentally friendly methodologies for nanostructure synthesis. Small. 3 (7), 1122-1139 (2007).
- Liu, J. R., Hong, R. Y., Feng, W. G., Badami, D., Wang, Y. Q. Large scale production of strontium ferrite by molten salt assited coprecipitation. Powder Technology. 262, 142-149 (2014).
- Yuanbing, M., Banerjee, S., Wong, S. S. Large-scale synthesis of single-crystalline perovskite nanostructures. Journal of the American Chemical Society. 125 (51), 15718-15719 (2003).
- Mao, Y. Facile synthesis of ferromagnetic double perovskite oxide La2BMnO6 nanoparticles. RSC Advances. 2 (33), 12675-12678 (2012).
- Hailili, R., Wang, C., Lichtfouse, E. Perovskite nanostructures assembled in molten salt based on halogen anions KX (X = F, Cl and Br): Regulated morphology and defect-mediated photocatalytic activity. Applied Catalysis B: Enviromental. 232, 531-543 (2018).
- Yuanbing Mao, J. P., McCloy, J. S. Magnetic properties of double perovskite oxide La2BMnO6 nanocrystals. Nanoscale. 5 (11), 4720-4728 (2013).
- Mao, Y., Wong, S. S. Reproducible composition and shape control of crystalline Ca1-xSrxTiO3 perovskite nanoparticles. Advanced Materials. 17 (18), 2194-2199 (2005).
- Rojas-Hernandez, R. E., et al. Original synthetic route to obtain a SrAl2O4 phosphor by the molten salt method: insights into the reaction mechanism and enhancement of the persistent luminescence. Inorganic Chemistry. 54 (20), 9896-9907 (2015).
- Reddy, M. V., Xu, Y., Rajarajan, V., Ouyang, T., Chowdari, B. V. R. Template free facile molten synthesis and energy storage studies on MCo2O4 (M = Mg, Mn) as anode for Li-ion batteries. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 3 (12), 3035-3042 (2015).
- Zuniga, J. P., Gupta, S. K., Pokhrel, M., Mao, Y. Exploring optical properties of La2Hf2O7:Pr3+ nanoparticles under UV and X-ray excitations for potential lighting and scintillating applications. New Journal of Chemistry. 42 (12), 9381-9392 (2018).
- Pokhrel, M., Wahid, K., Mao, Y. Systematic studies on RE2Hf2O7:5%Eu3+ (RE = Y, La, Pr, Gd, Er, and Lu) nanoparticles: Effects of the A-Site RE3+ cation and calcination on structure and photoluminescence. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (27), 14828-14839 (2016).
- Wahid, K., Pokhrel, M., Mao, Y. Structural, photoluminescence and radioluminescence properties of Eu3+ doped La2Hf2O7 nanoparticles. Journal of Solid State Chemistry. 245, 89-97 (2017).
- Park, T. J., Papaefthymiou, G. C., Moodenbaugh, A. R., Mao, Y., Wong, S. S. Synthesis and characterization of submicron single-crystalline Bi2Fe4O9 cubes. Journal of Materials Chemistry. 15 (21), 2099-2105 (2005).
- Gilbert, M. R. Molten salt synthesis of titanate pyrochlore waste-forms. Ceramics International. 42 (4), 5263-5270 (2016).
- Huang, Z., et al. Molten salt synthesis of La2Zr2O7 ultrafine powders. Ceramics International. 42 (5), 6221-6227 (2016).
- Huang, Z., Duan, H., Liu, J., Zhang, H. Preparation of lanthanum cerate powders via a simple molten salt route. Ceramics International. 42 (8), 10482-10486 (2016).
- Wang, G., et al. Fabrication of rod-like Ti4O7 with high conductivity by molten salt synthesis. Materials Letters. 186, 361-363 (2017).
- Pokhrel, M., Burger, A., Groza, M., Mao, Y. Enhance the photoluminescence and radioluminescence of La2Zr2O7:Eu3+ core nanoparticles by coating with a thin Y2O3 shell. Optical Materials. 68, 35-41 (2017).
- Ramesh, G., Subramanian, V., Sivasubramanian, V. Dielectric properties of lead indium niobate ceramics synthesized by conventional solid state reaction method. Materials Research Bulletin. 45 (12), 1871-1874 (2010).
- Gupta, S. K., et al. Role of various defects in the photoluminescence characteristics of nanocrystalline Nd2Zr2O7: An introspection through spectroscopic and DFT calculations. Journal of Materials Chemistry C. 4 (22), 4988-5000 (2016).
- Wang, X., Zhu, Y., Zhang, W. Preparation of lanthanum zirconate nano-powders by molten salt method. Journal of Non-Crystalline Solids. 356 (20-22), 1049-1051 (2010).
- Popov, V. V., et al. Fluorite-pyrochlore phase transition in nanostructured Ln2Hf2O7 (Ln = La-Lu). Journal of Alloys and Compounds. 689, 669-679 (2016).
- Rybarczyk, M. K., Gontarek, E., Lieder, M., Titirici, M. M. Salt melt synthesis of curved nitrogen-doped carbon nanostructures: ORR kinetics boost. Applied Surface Science. 435, 543-551 (2018).
- Ozen, M., Mertens, M., Snikers, F., D'Hondt, H., Cool, P. Molten-salt synthesis of tetragonal micron-sized barium titanate from a peroxo-hydroxide precursor. Advanced Powder Technology. 28 (1), 146-154 (2017).
- Fazli, R., Fazli, M., Safaei-Naeini, Y., Golestani-Fard, F. The effects of processing parameters on formation of nano-spinel (MgAl2O4) from LiCl molten salt. Ceramics International. 39 (6), 6265-6270 (2013).
- Bortolani, F., Dorey, R. A. Molten salt synthesis of PZT powder for direct write inks. Journal of the European Ceramic Society. 30 (10), 2073-2079 (2010).
- Zhou, H., Mao, Y., Wong, S. S. Probing structure-parameter correlations in the molten synthesis of BaZrO3 perovskite submicron-sized particles. Chemistry of Materials. 19 (22), 5238-5249 (2007).
- Kimura, T., Machida, M., Yamaguchi, T., Newnham, R. E. Products of reaction between PbO and Nb2O5 in molten KCl or NaCl. Journal of the American Ceramic Society. 66 (10), 195-197 (1983).
- Liu, S., et al. A novel rechargeable zinc-air battery with molten salt electrolyte. Journal of Power Sources. 342, 435-441 (2017).
- Huang, Z., Li, B., Liu, J. Molten-salt synthesis of oxyapatite La9.33Si6O26 powders as electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Physica status solidi A - Applicationand Materials Science. 207 (10), 2247-2251 (2010).
- Ahmed, J., Mao, Y. Synthesis, characterization and electrocatalytic properties of delafossite CuGaO2. Journal of Solid State Chemistry. 242 (1), 77-85 (2016).
- Ahmed, J., Mao, Y. Ultrafine iridium oxide nanorods synthesized by molten salt method toward electrocatalytic oxygen and hydrogen evolution reactions. Electrochimica Acta. 212, 686-693 (2016).
