Summary
. הנה, נדגים שיטה ייחודית, בטמפרטורה נמוכה יחסית, מלח מותכת סינתזה להכנת אחיד תחמוצת מתכת מורכבים לנתן hafnate חלקיקים.
Abstract
בפיתוח שיטות סינתזה ריאלי הוא קריטי עבור חקר המאפיינים רומן מוצלח של יישומים אפשריים של ננו-חומרים. כאן, אנחנו מציגים את שיטת סינתזה מלח מותכת (MSS) להכנת ננו תחמוצת מתכת. יתרונות על פני שיטות אחרות כוללות את הפשטות, ירקות, אמינות, מדרגיות ויכולת generalizability. באמצעות תחמוצת הפניום לנתן pyrochlore (La22O Hf7) כנציג, נתאר את פרוטוקול MSS הסינתזה המוצלחת של חלקיקי תחמוצת מתכת מורכבים (NPs). בנוסף, שיטה זו יש יכולת ייחודית להפקת NPs עם תכונות חומרים שונים על-ידי שינוי פרמטרים סינתזה שונים כגון pH, טמפרטורה, משך, שלאחר חישול. על-ידי כוונון הפרמטרים הללו, אנו מסוגלים לסנתז NPs מאוד מדים שאינם מגובבים, גבישי מאוד. דוגמה ספציפית, אנחנו משתנים גודל החלקיקים של לה2Hf2O7 NPs על-ידי שינוי הריכוז של הפתרון אמוניה מימית המשמשים בתהליך MSS, אשר מאפשר לנו להמשיך לחקור את השפעת גודל החלקיקים בנושאים שונים מאפיינים. הוא צפוי כי השיטה MSS יהפוך פופולרי יותר סינתזה שיטת ננו ועוד נרחב המועסקים בקהילה וננו -טכנולוגיה בשנים הקרובות.
Introduction
מלח מותכת סינתזה (MSS) כרוכה בשימוש של מלח מותכת המדיום התגובה להכנת ננו-חומרים מן שלהם מבשרי המרכיבים אותה. מלח מותכת משמש הממס ומקל את קצב התגובה משופרת על ידי הגדלת איזור המגע בין המגיבים ניידותו. הבחירה של מלחי מותכת היא בעלת חשיבות עליונה להצלחת השיטה MSS. המלח חייבת לעמוד בדרישות איכות חשוב מסוימים כגון נקודת התכה נמוכה, תאימות עם המינים מגיבים, המסיסות מימית האופטימלי. מלח מותכת שימש בעבר כדי לשפר את הקצב של תגובות של מצב מוצק; עם זאת, במערכת השטף, רק כמות קטנה של מלח מותכת משמש (שלא כמו ב- MSS, שבו כמות גדולה נוספת כדי ליצור מדיום מסיסים עבור התגובה ולשלוט המאפיינים של ננו מסונתז, כגון גודל החלקיקים, צורה crystallinity וכדומה). במובן זה, MSS הוא שינוי של שיטת metallurgical אבקת ושונה השטף שיטה1,2,3. להעסקת יכול מלח מותכת (1) עלייה תגובת קצב קינטי4 תוך הפחתת טמפרטורה סינתזה5, (2) להגדיל מידת ההומוגניות מגיבים6, (3) לקבוע גודל גבישי ו מורפולוגיה7(4) להפחית את רמת הצטברות.
ננו כבר ביקוש גבוה מדעי עבור יישומים תעשייתיים הרומן בגלל שלהם מעולה חשמל, כימיקלים, מגנטי, אופטי, אלקטרונית, תכונות תרמיות. המאפיינים שלהם הם תלויים במידה רבה גודל החלקיקים צורה, crystallinity. לעומת שיטות אחרות סינתזה של ננו-חומרים, MSS יש מספר יתרונות ברורים; למרות זאת, זה עדיין לא ידוע כמה שיטות סינתזה אחרות בקהילה וננו -טכנולוגיה. כפי שמתואר להלן, יתרונות אלה כוללים שלה פשטות, מדרגיות, generalizability, ידידותיות הסביבה, יחס עלות-תועלת, טמפרטורה סינתזה נמוכה יחסית, ואמינות ללא הצטברות של NPs משטח נקי8.
פשטות: תהליך MSS יכול בקלות להתבצע בתוך מעבדה פשוטה עם מתקנים בסיסיים. מכשור מתוחכם אין צורך. סימנים מקדימים מלחי מותכת אוויר יציב ללא צורך טיפול הכפפות בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד.
אמינות: לאחר כל הפרמטרים הסינתזה הראשונית כגון ריכוז, pH, זמן העיבוד, חישול טמפרטורה ממוטבים, מוצרים באיכות גבוהה, טהור מובטח בעת שימוש בשיטת MSS. אם כל השלבים הסינתזה מתבצעת כראוי, המוצרים הסופיים עשוי להשיג כל הקריטריונים הבסיסיים הדרושים NPs באיכות טובה. טירון בשיטה MSS לא יגרום לשינוי התוצאה סינתזה, כל עוד כל הפרמטרים סינתזה כראוי ובזהירות עוקבים.
מדרגיות: היכולת השיטה MSS לייצר כמויות גדולות של חלקיקים בגודל, צורה-שבשליטת חיוני. גורם קריטי זה חשוב כי זה מאפשר קביעת תעשייתי השימושיות והיעילות. לעומת טכניקות סינתזה אחרות, MSS בקלות ליצור כמות מספקת של מוצרים על-ידי התאמת כמויות stoichiometric בתהליך. הסיבה לכך היא תכונה חשובה של השיטה זה מאפשר נוחות ברמה תעשייתית, שהופך אותו בגישה יותר הרצוי בגלל זה מדרגיות9,10.
Generalizability: השיטה MSS היא גם טכניקה להכליל לייצר חלקיקים עם קומפוזיציות שונות. מלבד תחמוצות מתכת פשוטה, כמה ופלואורידים, ננו של תחמוצות מתכת מורכבים, זה חייב להיות מסונתז בהצלחה בשיטת MSS כוללים perovskites (ABO3)10,11,12, 13,14,15,ספינל (2O AB4)16, pyrochlore (2B2O7)4,17,18, 19, ו האורתורומבית מבנים (2B4O9)2,3,20. ליתר דיוק, אלה ננו לכלול פריט, titanates, niobates, mullite, אלומיניום בוראט, וולאסטוניט, ו אפטיט מוגזים7,9,21. השיטה MSS שימש גם לייצר ננו של מורפולוגיות שונות כגון nanospheres4, קרמיקה אבקת גופות22, nanoflakes23, nanoplates7, nanorods24ליבה-קליפה חלקיקים (NPs)25, בהתאם לתנאים סינתזה מבנה גבישי של המוצרים.
ידידותיות הסביבה: מספר שיטות מסורתיות להכנת ננו לערב את השימוש כמויות גדולות של ממיסים אורגניים רעילים סוכנים היוצרים נושאים סביבתיים. חיסול חלקי או מלא של השימוש בהם, הדור של פסולת על-ידי תהליכים בר קיימא הוא ביקוש של כימיה ירוקה כיום8. השיטה MSS היא גישה ידידותית לסביבה לסנתז ננו על ידי העסקת חומרים כימיים רעילים מתחדשת וצמצום פסולת, תוצרי לוואי ואנרגיה.
סינתזה נמוך יחסית טמפרטורה: הטמפרטורה עיבוד של השיטה MSS היא נמוכה יחסית בהשוואה נדרש התגובה של מצב מוצק קונבנציונאלי26 או של תגובת הבעירה סול-ג'ל27. טמפרטורה נמוכה זו חוסכת אנרגיה תוך כדי לייצר באיכות גבוהה NPs.
עלות האפקטיביות: MSS השיטה אינה דורשת כל המגיבים קשה או יקר או ממיסים ולא כל מכשור מיוחד. מים הם הממס העיקרי המשמש שטיפת המלחים מותכת משומשים, אשר גם זול. יתר על כן, הגדרת הניסוי צריך כולל רק כלי זכוכית פשוטה ולא תנור ללא מכשור מיוחד, בעוד ננו עם הרכב מורכב והטבע מותכות בחום גבוה מאוד יכול להיות מיוצר.
הצטברות חינם עם משטח נקי: תהליך במהלך MSS, יצרו חלקיקים הם מפוזר היטב במדיום מלח מותכת עקב כמות גדולה שלו, המשמש יחד עם שלה גבוהה יוניים כוח, צמיגות1,6, 8. בניגוד סינתזה colloidal ותהליכים הידרותרמי/solvothermal רוב, אין שכבת פני השטח מגן נחוצה למנוע את הצטברות של NPs יצרו צמיחתו רציפה.
סינתזה למופת של תחמוצת מתכת מורכבים NPs בשיטת MSS: שיטת ה MSS כאל אוניברסלי וחסכונית גישה באופן רציונלי, בקנה מידה גדול לסנתז ננו-חומרים עבור קשת רחבה מספיק חומר עשוי יתקבלו בברכה מאוד על ידי מדענים עובד וננו -טכנולוגיה. כאן, לנתן hafnate (La22O Hf7) נבחר בגלל וביישומיה רב תכליתיים בתחומים של רנטגן הדמיה, גבוהה k-דיאלקטרי, הפריה חוץ גופית, פוספור תרמוגרפיים מכשול תרמי ציפוי, ו המארח פסולת גרעינית. La22O Hf7 הוא גם מארח טוב עבור scintillators מסומם הצפיפות הגבוהה שלו, מספר אטומי אפקטיבי גדול וכתוצאה את האפשרות של מבנה גבישי שלה כדי. ניתן לתכנן יחד עם מעבר פאזה הפרעת סדר. הוא שייך למשפחת A2B2O7 של תרכובות, שבו "A" הוא יסוד האדמה – נדיר עם מצב חמצון +3, "B" ומייצג המעבר אלמנט מתכתי עם מצב חמצון +4. עם זאת, בשל אופי עקשן ההרכב הכימי מורכב, חלה חוסר בטמפרטורה נמוכה נאותה ועל שיטות סינתזה בקנה מידה גדול עבור La2Hf2O7 NPs.
במחקר מדעי יסוד ויישומים טכנולוגיים מתקדמים, זה תנאי הכרחי כדי להפוך monodisperse, באיכות גבוהה, מדים2O2B7 NPs. כאן נשתמש הסינתזה של גבישי מאוד לה2Hf2O7 NPs כדוגמה להפגין את היתרונות של שיטת MSS. כפי שמוצג באיור 1סכמטי, לה2Hf2O7 NPs הוכנו על ידי שיטת MSS עם תהליך בן שני שלבים בעקבות הדיווחים הקודמים שלנו. ראשית, הקדמה מורכבים יחיד של La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O הוכנה באמצעות מסלול coprecipitation. בשלב השני, גודל-לשליטה La2Hf2O7 NPs היו מסונתז לאורך התהליך MSS נתיישב משתמש יחיד מורכב מבשר וחנקה התערובת (ננו3: יודע3 = יחס 1:1, טוחנת)- 650 מעלות צלזיוס במשך 6 שעות.
איור 1 : תיאור סכמטי של הסינתזה צעדים עבור La 2 Hf 2 O 7 NPs באמצעות השיטה MSS. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנת יחיד קודמן מורכבים באמצעות מסלול Coprecipitation
- הכנת לנתן פתרון הפניום קודמן
- למדוד 200 מ של מים מזוקקים בתוך 500 מ"ל ומתחילים לערבב במהירות של 300 סל ד.
- להמיס מבשרי לנתן, הפניום במים מלהיב [קרי, 2.165 g של לנתן חנקת hexahydrate (La (3)3•6H2O) ו- g 2.0476 של הפניום dichloride תחמוצת octahydrate (HfOCl2•8H2O)].
- תן את הפתרון מערבבים למשך 30 דקות לפני תחילת טיטור.
- הכנה של אמוניה מדוללת פתרון
- להכין 200 מ של פתרון אמוניה מדוללת עם ריכוזים שונים, כולל 0.75%, 1.5%, 3.0%, 6.0% ו- 7.5%. לדוגמה, להוסיף 20 מ של פתרון אמוניה מרוכז (NH4הו (aq), 28-30%) 180 מ ל מים מזוקקים בתוך נפרד כדי להפוך 3.0% בדילול אמוניה פתרון.
- טיטור ושטיפת למבשר מורכבים מקור יחיד
- הוסף את הפתרון אמוניה מדוללת מוכן בשלב הקודם לתוך burette ולהבטיח burette מכוסה כל הזמן, מאז אמוניה פתרון נוטה להתאדות אשר מקטין את הריכוז שלה.
- להוסיף את הפתרון אמוניה מדוללת burette לתוך הפתרון מלהיב של תחמוצת לנתן חנקתי, הפניום dichloride dropwise.
- להתאים את מהירות ושחרור של הפתרון אמוניה בהתאם כך תצורף על פני תקופה של 2 h.
- לאחר מ"ל במספר של אמוניה פתרון הועברו, ודא כי הפתרון הופך מעוננים. . זה פשוט תחתמי על זה התמיסה של יחיד מורכב מבשר של La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O הוא להרכיב.
- לאחר 2 h, הסר את פס מלהיב ולאפשר את התמיסה גיל בן לילה.
- בדוק את ה-pH של התמיסה coprecipitated לפני הכביסה. לשטוף את התמיסה עם מים מזוקקים עד תגובת שיקוע מגיע pH נייטרלי, אשר בדרך כלל לוקח 5-8 שוטף.
- סינון ואקום וייבוש של קודמן
- אבק לסנן את הפתרון coprecipitated באמצעות נייר סינון נקבוביות גס (40-60 מיקרומטר; ראה טבלה של חומרים) כדי להפריד את התמיסה מוצק מ תגובת שיקוע.
- ודא כי כל שרידים קודמן מורכבים נשטפים מקירות הספל.
- האוויר יבש וכתוצאה מכך יחיד מורכב מבשר La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O בטמפרטורת החדר למשך הלילה.
2.-מלח מותכת סינתזה של NPs Hafnate לנתן
- הכנת תערובת מלח קודמן
- למדוד mmol 30 (3.033 גרם) של חנקת אשלגן (יודע3) ו- 30 mmol (2.549 גרם) של נתרן חנקתי (ננו3).
- לשלב את המלחים נמדד עם 0.35 גרם איך מכינים יחיד מורכב מבשר La(OH)3· HfO(OH)2· n H2O.
- במידת הצורך, להוסיף התערובת כדי להקל על שחיקה של 1-5 מ של אצטון או אתנול. ודא כי כל הממיס הוא התאדה לפני הצבת את התערובת לתוך כור היתוך.
- לטחון את מלחי מעורב ואת קודמן יפה ככל האפשר עבור 30 דקות באמצעות ומכתש.
- עיבוד מלח מותכת
- מניחים את התערובת המתקבלת כור קורונדום, ומניחים אותו תנור לעמעם.
- הגדר את התנור ב 650 מעלות צלזיוס במשך 6 שעות עם קצב הרמפה של 10 ° C/min.
- לאחר דגימה של תנור קיררה לטמפרטורת החדר, להוציא את ציד המכשפות ומשרים את הדגימה בתוך מלא במים מזוקקים למשך הלילה.
- כביסה וייבוש של La2Hf2O7 NPs
- רוקן את הדגימה של ציד המכשפות לתוך גביע 1 ליטר.
- לשטוף את הדגימה עם מים מזוקקים 5 - 8 פעמים עד תגובת שיקוע תהיה ברורה של מלחים, לא בהיר יותר.
- לטהר את המוצר על ידי צנטריפוגה או סינון ואקום כדי להסיר את כל הטומאה שיורית.
- יבש את המוצר בתנור ב 90 מעלות צלזיוס למשך הלילה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
כמו מסונתז La2Hf2O7 NPs יכולים להתקיים בשלב pyrochlore מסודרות. עם זאת, כימי אילוח, לחץ, טמפרטורה יכול לשנות השלב לערוק פלואוריט. זה אפשרי עבור החומר שלנו יש שלבים מרובים; עם זאת, כאן אנו מתמקדים רק השלב pyrochlore של פשטות. רנטגן עקיפה (XRD) ו ספקטרוסקופיית ראמאן שימשו לאפיון שיטתי שלהם שלב טוהר, במבנה ובאופן שלב. גודל גבישי ניתן לחשב באמצעות הנוסחא של דביי-Scherrer. מצד שני, ספקטרוסקופיית ראמאן משמש טכניקה אפיון מבניים משני בגלל רגישות גבוהה מ- O הלטראלית28. זה מזהה את שלב לחקר הגבישים המדויק של La2Hf2O7 NPs29.
MSS לעומת טכניקות טיפול נוספות סינתטי תגובות של מצב מוצק, יש תגובה גבוה קבוע, כלומר התגובה הוא סביר יותר להיכנס כיוון קדימה30. הייצור של pyrochlore La2Hf2O7 מושגת על ידי הגדלת ניידות המינים מגיבים בתוך המערכת מלח מותכת ושטח פנים קשר. איור 2 מדגים את הדפוסים XRD של NPs22O Hf7 La מסונתז עשוי בשיטת MSS מבשרי מורכבים יחיד באמצעות ריכוזים שונים של אמוניה פתרון. XRD תוצאות מציג את היווצרות טהור לה2Hf2O7 עם crystallinity גבוהה. שיא המיקום ואת מדדי מילר עשויים להיכלל באינדקס בהתבסס על הוועדה המשותפת על אבקת עקיפה רגיל (JCPDS) דפוס #78-שמך. אין שלבים הטומאה גלויים כגון La2O3, האיחוד האירופי2O3או HfO2 אותרו. אין שינוי בדפוס XRD כפונקציה של ריכוז אמוניה בשימוש למעט העלייה של גודל החלקיקים. טבלה 1 מראה המתאים קריסטל מחושב פרמטר של חלקיקים בגודל של La2Hf2O7 NPs.
איור 2 : קרני רנטגן דפוסי לה 2 Hf 2 O 7 NPs שהוכנו על ידי התאמת את הריכוז פתרון אמוניה בשימוש אז אינדקס המבוסס על התבנית פלואוריט פגם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
| ריכוז של NH4OH(aq) בשימוש | XRD נתונים של מסונתז La2Hf2O7 NPs | |||
| 2Θ (°) | FWHM (Β) | סריג פרמטרים (Å) | גודל החלקיקים (אן אם) | |
| [0.75%] | 28.57 | 0.4 | 10.81 | 19.00 |
| [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 |
טבלה 1 : פרמטר לחקר הגבישים וגודל החלקיקים של לה 2 Hf 2 O 7 NPs שהוכנו על ידי התאמת פתרון אמוניה בשימוש הריכוז מציג גידול גודל חלקיקים רציפה. FWHM = ברוחב-מלא מקסימום-חצי.
ישנם שני שלבים נפוצים של תרכובות7 2O2B A: הפלואורייט המתוסבכים שלב ושלב מסודרת pyrochlore. השלב פלואוריט ללא סדר קיים בקבוצה שטח Fm3̅m, שבו כל היונים cationic (3 + ,4 +B) מופצים באופן אקראי, המאפשרות למצב פעיל אחד. מצד שני, שלב pyrochlore הורה קיימת בחבורת סימטריות מרחבית Fd3̅m. לכן, זה מוצגים דמיון מבני קרוב לשלב פלואוריט פרט לכך ישנם שני אתרים cationic, שלושה אתרים anionic [48f (אואני), 8a (OII), ו- 8 ב' (OIII)], ו- 1/8ה של היונים חמצן (OIII) ב- 8 ב' אתר נעדר במבנה pyrochlore, המאפשר 6 מצבי פעיל19,28,29. מבוסס על תיאוריה קבוצתית, פגם פלואוריט יש המבנה אחד למצב הרטט עקב T2g, בעוד שלב pyrochlore יש שישה הלטראלית בטווח של 200-1000 ס מ-1. מידע זה חיוני לצורך הזיהוי בשלב הנכון של La2Hf2O7 NPs (איור 3). במקרה זה, מוכנה לה2Hf2O7 NPs הם בצורת pyrochlore טהור.
איור 3 : ספקטרום ראמאן של לה 2 Hf 2 O 7 NPs שהוכנו על ידי התאמת הריכוז פתרון אמוניה בשימוש, עם שישה מצבי פעיל הנוגעים השלב pyrochlore. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
התרשים באיור 4 מספק מספר גורמים השליטה אמין של שיטת MSS ושל חשבונות עבור מסלולים חלופיים לכוונן את התכונות של ננו מסונתז. בנוסף, הוא מסייע לזהות שלבים קריטיים בתהליך MSS.
איור 4 : זרימה השלבים הקריטיים של MSS המציין גורמי השליטה ההליך סינתטי NPs עם משעולים פוטנציאליים כדי לכוונן המאפיינים שלהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
ראשית, הזהות של סימנים מקדימים הוא קריטי, בעיקר לסינתזה של תחמוצת מתכת מורכבים NPs. כאשר ייצור2O2B7 NPs, חשוב לייצר קודם הקדמה מורכבים יחיד המכיל את הרכיבים העיקריים ממציא את המוצר הסופי [קרי, A ו- B, ברמה האטומית עם הנוסחה של A(OH)3 ·BO(OH)2· n H2O]. בניסוי זה, גודל החלקיקים NPs22O Hf7 La הסופי יכול להיות נשלט במהלך שלב זה על ידי התאמת את הריכוז של הפתרון אמוניה titrant, בו ריכוז גבוה יותר של פתרון אמוניה שנוצר לה גדול 2 Hf2O7 NPs. ניסויים אחרים בוצעו גם לעשות2B2O7 NPs באמצעות סימנים מקדימים שונים, כגון חנקות זמינים מסחרית או תחמוצות המכיל את המרכיבים העיקריים של2B2O7; עם זאת, אף אחד לא עובד4. היתרונות של קודמן מורכבים יחיד אמורפי הזה הם האלמנטים בחיבור של2O2B7 הם מעורבבים ברמה האטומית והם homogeneously מופץ באותו סדר כמו הסופי2B2 O7 המוצר, להקטין את שטח או טווח שבו שני המגיבים צריך להיות מועבר.
שנית, הבחירה של מלח מותכת נאות יש חשיבות רבה בהשגת ננו עם מורפולוגיה רצוי ומאפיינים. נקודת ההיתוך של מלח שנבחר צריך להיות המתאימה לסינתזה של השלב הנדרש של ננו-חומרים. היווצרות של ננו נשלטת בסופו של דבר על ידי נקודת ההיתוך של מלחי משמש ממיסים מותכת, כגון אלקליות כלוריד, סולפט, קרבונט או הידרוקסיד1,6,31,32. בעבר דווח כי השימוש של מלחים שונים מותכת ניתן לשנות את הטמפרטורה היווצרות, ובכך לשנות את החלקיקים הגודל של מורפולוגיה18.
בנוסף, שיעור הרמפה נוטה להשפיע על הסינתזה של NPs. קצב מהיר הרמפה נוטה ליצור מגובבים NPs33, אשר משפיע על המאפיינים שלהם. במקרה של מאיר עיניים, נצנוץ חומרים, הצטברות גבוהה אינו רצוי, כפי שהוא יכול פיזור מתרגש ו הנפלטים אור17,19. קצב איטי הרמפה ולכן הוא מתאים יותר ומאפשר מספיק זמן להגיע את הטמפרטורה בפועל בתוך הכור. תהליך קירור איטי בדרך כלל מאפשר NPs עגול להקים34.
קריטריון חשוב נוסף עבור הבחירה של המלח הוא וחייב להיות מסיסות מימית מספקת. עם כביסה פשוט על ידי מים, מלח מותכת בשימוש צריך להיות בקלות שטף לאחר MSS.
לבסוף, התוספת של נוזל נדיף כגון אצטון ואתנול במהלך ערבוב של המלחים בשימוש, קודמן מורכבים יחיד ומסייעת להקל בתהליך שחיקה אך אינה חיונית. התוספת של נוזל זה יעיל להכין תערובת הומוגנית בזמן קצר ואינו דורש פחות מאמץ, וזה חשוב ביצירת מוצרים טהור. נוזל נדיף הוסיף אינה משפיעה על מאפייני NPs הנובעת מאז שהוא מתאדה לחלוטין עד הסוף בתהליך שחיקה. עקב התנודתיות הגבוהה שלה, סכום נוסף עשויים לנוע בכל מקום מ- 1 עד 5 מ"ל.
השיטה MSS היא דרך פשוטה ופשוט לסנתז NPs באוניברסיטת בכל מיקום תעשייתי. עם זאת, ניתן לבצע שינויים בפרוטוקול. לדוגמה, במקרה מערכת מסנן ואקום אינה זמינה, יחיד למבשר מורכבים המתקבל השלב coprecipitation יכול להיות centrifuged. תערובות שונות של מלח התזת יכול לשמש למהנדס NPs עם התכונות הרצויות.
אף-על-פי השיטה MSS היא בדרך כלל קל להיות מועסק, מגבלות כוללים (1) את האפשרות של היווצרות המוצר להיות מוגבל על-ידי האזור קשר של שני המגיבים שונה תגובה1. בנוסף, לא (2) כל מוצר nanostructured יכול להיות שנוצר בתוך מלחי מותכת שנבחרו. מקרים אלו נדירים אבל בהחלט יכול לקרות35. רצוי כי המלחים שנבחר לפעול ממיסים רק טהור, אל תגיב עם המגיבים או מוצרים. יתר על כן, טעויות נפוצות שעלולות להפריע לאיכות המוצרים nanoparticle הסופי כוללים את הפריטים הבאים: (1) ראשית, אם burette אינו מכוסה במהלך טיטרציה, זה עשוי לשנות את ריכוז אמוניה מימית, בסופו של דבר לשנות גודל חלקיקים שהושג. טעות נפוצה נוספת היא (2) לא נותנת את coprecipitation מתקופה ארוכה של שעתיים טופס. הוספת אמוניה את titrant מהר מדי משפיע קינטיקה של coprecipitation, אשר עלול להפוך קודמן מורכבים inhomogeneous. מהמלכודת השלישי הוא (3) לא שחיקה את salt(s) ואת precursor(s) יפה ככל האפשר, אשר מפיק מוצרים טמא או חלקיקים inhomogeneous.
השיטה MSS היא פשוט, יעיל, מהיר, בטמפרטורה נמוכה, וחסכונית כפי שהוכח עם תוצאות שדווחה בעבר, לעומת שיטות קונבנציונליות סינתזה של מצב מוצק, סול-ג'ל/בעירה27. זה גם מדרגיים, אמינים ובעלי להכליל בנוגע לביצוע ללא הצטברות NPs ללא שכבת הגנה השטח, שלא כמו שיטות סינתזה colloidal ו הידרותרמי/solvothermal.
היישום של השיטה MSS התפשט נרחב האחרונים של עשרות שנים, מחומרים ferroelectric, פרומגנטי חומרים עבור סוללות ליתיום36,17,מוליכים למחצה37, חומר זרחני17, 19, אלקטרו-זרזים38,39, בעיקר עבור חומרים nanosized, במיוחד אלה עם קומפוזיציות מורכבות. לסיכום, שיטת MSS מספק מסלול מתאים בסינתזה של תחמוצת מתכת, פשוטים ומורכבים NPs. הוא צפוי כי השיטה MSS תהפוך שיטת סינתזה פופולרי יותר ננו ועוד נרחב המועסקים בקהילה וננו -טכנולוגיה בשנים הקרובות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ישנם אין התנגשויות להכריז.
Acknowledgments
המחברים תודה התמיכה הכלכלית שסופקו על-ידי הקרן הלאומית למדע, לפי CHE (זוכה פרס #1710160) ואת משרד החקלאות המכון הלאומי של מזון חקלאות (זוכה פרס #2015-38422-24059). במחלקה לכימיה-עמק ריו גראנדה אוניברסיטת טקסס הוא אסיר תודה על התמיכה הנדיבה המסופקים על ידי מענק מחלקתיים מטעם קרן Welch א רוברט (מענק מס ' BX-0048). S.K.G. הייתי רוצה להודות את קרן קרן חינוך ארצות הברית-הודו (חינוך), המכון של הבינלאומי לחינוך (השקר) עבור שלו פולברייט נהרו הבתר-דוקטורים (זוכה פרס #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).
