Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Effekt av mikrobølgesyntesebetingelser på strukturen av nikkelhydroksid nanoark

Published: August 18, 2023 doi: 10.3791/65412
Automatic Translation
1, 2, 2, 3, 1,2
1Materials Science, Engineering, and Commercialization Program, Texas State University, 2Department of Chemistry and Biochemistry, Texas State University, 3Westlake Highschool

Summary

Nikkelhydroksid nanoark syntetiseres ved en mikrobølgeassistert hydrotermisk reaksjon. Denne protokollen demonstrerer at reaksjonstemperaturen og tiden som brukes til mikrobølgesyntese påvirker reaksjonsutbyttet, krystallstrukturen og det lokale koordinasjonsmiljøet.

Abstract

En protokoll for rask, mikrobølgeassistert hydrotermisk syntese av nikkelhydroksid nanoark under mildt sure forhold presenteres, og effekten av reaksjonstemperatur og tid på materialets struktur undersøkes. Alle undersøkte reaksjonsbetingelser resulterer i aggregater av lagdelte α-Ni (OH) 2 nanoark. Reaksjonstemperaturen og tiden påvirker sterkt strukturen til materialet og produktutbyttet. Syntetisering av α-Ni(OH)2 ved høyere temperaturer øker reaksjonsutbyttet, senker mellomlagsavstanden, øker krystallinsk domenestørrelse, forskyver frekvensene til mellomlags anionvibrasjonsmoduser og senker porediameteren. Lengre reaksjonstider øker reaksjonsutbyttet og resulterer i lignende krystallinske domenestørrelser. Overvåking av reaksjonstrykket in situ viser at høyere trykk oppnås ved høyere reaksjonstemperaturer. Denne mikrobølgeassisterte synteseruten gir en rask, høy gjennomstrømning, skalerbar prosess som kan brukes til syntese og produksjon av en rekke overgangsmetallhydroksider som brukes til en rekke energilagring, katalyse, sensor og andre applikasjoner.

Introduction

Nikkelhydroksid, Ni(OH)2, brukes til en rekke bruksområder, inkludert nikkel-sink og nikkel-metallhydridbatterier 1,2,3,4, brenselceller4, vannelektrolysatorer 4,5,6,7,8,9, superkondensatorer4, fotokatalysatorer 4, anionbyttere10, og mange andre analytiske, elektrokjemiske og sensorapplikasjoner 4,5. Ni(OH)2 har to dominerende krystallstrukturer: β-Ni(OH)2 og α-Ni(OH)211. β-Ni(OH)2 adopterer en brucite-type Mg(OH)2 krystallstruktur, mens α-Ni(OH)2 er en turbostratisk lagdelt form av β-Ni(OH)2 interkalert med gjenværende anioner og vannmolekyler fra den kjemiske syntesen4. Innenfor α-Ni(OH)2 er de interkalerte molekylene ikke innenfor faste krystallografiske posisjoner, men har en grad av orienteringsfrihet, og fungerer også som et mellomlagslim som stabiliserer Ni(OH)2-lagene 4,12. Mellomlagsanionene til α-Ni(OH)2 påvirker den gjennomsnittlige Ni-oksidasjonstilstanden13 og påvirker den elektrokjemiske ytelsen til α-Ni(OH)2 (i forhold til β-Ni(OH)2) mot batteri 2,13,14,15, kondensator16 og vannelektrolyseapplikasjoner 17,18.

Ni(OH)2 kan syntetiseres ved kjemisk utfelling, elektrokjemisk utfelling, sol-gelsyntese eller hydrotermisk/solvotermisk syntese4. Kjemiske utfellings- og hydrotermale synteseveier er mye brukt i produksjonen av Ni (OH) 2, og forskjellige syntetiske forhold endrer morfologien, krystallstrukturen og elektrokjemisk ytelse. Den kjemiske utfellingen av Ni(OH)2 innebærer tilsetning av en svært basisk løsning til en vandig nikkel (II) saltløsning. Fasen og krystalliniteten til bunnfallet bestemmes av temperaturen og identitetene og konsentrasjonene av nikkel (II) saltet og basisk løsning som brukes4.

Hydrotermisk syntese av Ni(OH)2 innebærer oppvarming av en vandig oppløsning av forløperens nikkel (II)-salt i et trykksatt reaksjonshetteglass, slik at reaksjonen kan fortsette ved høyere temperaturer enn det som vanligvis er tillatt under omgivelsestrykk4. Hydrotermale reaksjonsbetingelser favoriserer vanligvis β-Ni(OH)2, men α-Ni(OH)2 kan syntetiseres ved (i) ved bruk av et interkaleringsmiddel, (ii) ved bruk av en ikke-vandig løsning (solvotermisk syntese), (iii) senking av reaksjonstemperaturen, eller (iv) inkludert urea i reaksjonen, noe som resulterer i ammoniakk-interkalert α-Ni(OH)24. Den hydrotermale syntesen av Ni(OH)2 fra nikkelsalter skjer via en totrinnsprosess som involverer en hydrolysereaksjon (ligning 1) etterfulgt av en olasjonskondensasjonsreaksjon (ligning 2). 19

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

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

Mikrobølgekjemi har blitt brukt til enpottsyntese av et bredt utvalg av nanostrukturerte materialer og er basert på evnen til et bestemt molekyl eller materiale til å konvertere mikrobølgeenergi til varme20. I konvensjonelle hydrotermale reaksjoner initieres reaksjonen ved direkte absorpsjon av varme gjennom reaktoren. I kontrast, innenfor mikrobølgeassisterte hydrotermiske reaksjoner, er varmemekanismene dipolarisasjon av løsningsmidlet som svinger i et mikrobølgefelt og ionisk ledning som genererer lokalisert molekylær friksjon20. Mikrobølgekjemi kan øke reaksjonskinetikken, selektiviteten og utbyttet av kjemiske reaksjoner20, noe som gjør det av betydelig interesse for en skalerbar, industrielt levedyktig metode for å syntetisere Ni (OH) 2.

For alkaliske batterikatoder gir α-Ni(OH)2-fasen forbedret elektrokjemisk kapasitet sammenlignet med β-Ni(OH)2 fase13, og syntetiske metoder for å syntetisere α-Ni(OH)2 er av spesiell interesse. α-Ni (OH)2 har blitt syntetisert ved en rekke mikrobølgeassisterte metoder, som inkluderer mikrobølgeassistert refluks21,22, mikrobølgeassisterte hydrotermiske teknikker23,24 og mikrobølgeassistert basekatalysert nedbør25. Inkluderingen av urea i reaksjonsløsningen påvirker signifikant reaksjonsutbyttet26, mekanisme26,27, morfologi og krystallstruktur27. Den mikrobølgeassisterte dekomponeringen av urea ble bestemt å være en kritisk komponent for å oppnå α-Ni(OH)227. Vanninnhold i en etylenglykol-vannløsning har vist seg å påvirke morfologien til mikrobølgeassistert syntese av α-Ni (OH) 2 nanoark24. Reaksjonsutbyttet av α-Ni(OH)2, når det syntetiseres ved en mikrobølgeassistert hydrotermisk rute ved bruk av en vandig nikkelnitrat- og urealøsning, ble funnet å avhenge av løsningens pH26. En tidligere studie av mikrobølgesyntetiserte α-Ni (OH) 2 nanoblomster ved bruk av en forløperløsning av EtOH / H2O, nikkelnitrat og urea fant at temperatur (i området 80-120 ° C) ikke var en kritisk faktor, forutsatt at reaksjonen utføres over ureahydrolysetemperaturen (60 ° C) 27. En nylig artikkel som studerte mikrobølgesyntesen av Ni(OH)2 ved bruk av en forløperløsning av nikkelacetattetrahydrat, urea og vann, fant at ved en temperatur på 150 °C inneholdt materialet både α-Ni(OH)2 og β-Ni(OH)2-faser, noe som indikerer at temperatur kan være en kritisk parameter i syntesen av Ni(OH)228.

Mikrobølgeassistert hydrotermisk syntese kan brukes til å produsere α-Ni(OH)2 og α-Co(OH)2 ved å bruke en forløperløsning sammensatt av metallnitrater og urea oppløst i en etylenglykol/H2O-oppløsning12,29,30,31. Metallsubstituerte α-Ni (OH) 2 katodematerialer for alkaliske Ni-Zn-batterier ble syntetisert ved hjelp av en oppskalert syntese designet for en storformat mikrobølgereaktor12. Mikrobølgesyntetisert α-Ni (OH) 2 ble også brukt som en forløper for å oppnå β-Ni (OH) 2 nanoark12, nikkel-iridium nanorammer for oksygenutviklingsreaksjon (OER) elektrokatalysatorer29 og bifunksjonelle oksygenelektrokatalysatorer for brenselceller og vannelektrolysatorer30. Denne mikrobølgereaksjonsruten har også blitt modifisert for å syntetisere Co (OH) 2 som en forløper for kobolt-iridium nanorammer for sure OER-elektrokatalysatorer31 og bifunksjonelle elektrokatalysatorer30. Mikrobølgeassistert syntese ble også brukt til å produsere Fe-substituerte α-Ni (OH) 2 nanoark, og Fe-substitusjonsforholdet endrer strukturen og magnetiseringen32. En trinnvis prosedyre for mikrobølgesyntese av α-Ni(OH)2 og evaluering av hvordan varierende reaksjonstid og temperatur i en vannetylenglykoloppløsning påvirker den krystallinske strukturen, overflatearealet og porøsiteten, og det lokale miljøet til mellomlagsanioner i materialet, er imidlertid ikke tidligere rapportert.

Denne protokollen etablerer prosedyrer for mikrobølgesyntese med høy gjennomstrømning av α-Ni (OH) 2 nanoark ved hjelp av en rask og skalerbar teknikk. Effekten av reaksjonstemperatur og -tid ble variert og evaluert ved hjelp av in situ reaksjonsovervåking, skanning elektronmikroskopi, energidispersiv røntgenspektroskopi, nitrogenporosimetri, pulverrøntgendiffraksjon (XRD) og Fouriertransform infrarød spektroskopi for å forstå effekten av syntetiske variabler på reaksjonsutbytte, morfologi, krystallstruktur, porestørrelse og lokalt koordinasjonsmiljø av α-Ni (OH) 2 nanoark.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: Den skjematiske oversikten over mikrobølgesynteseprosessen er presentert i figur 1.

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

  1. Fremstilling av forløperløsning
    1. Forbered forløperoppløsningen ved å blande 15 ml ultrarent vann (≥18 MΩ-cm) og 105 ml etylenglykol. Tilsett 5,0 g Ni(NO3)2 · 6 H2O og 4, 1 g urea til løsningen og dekselet.
    2. Plasser forløperløsningen i en is- og vannfylt badsonikator (40 kHz frekvens) og sonicate med full effekt (ingen puls) i 30 minutter.
  2. Mikrobølgereaksjon av forløperløsningen
    1. Overfør 20 ml av forløperoppløsningen til et hetteglass med mikrobølgereaksjon med en polytetrafluoretylen (PTFE) rørstang og forsegl reaksjonsbeholderen med et låselokk med en PTFE-foring.
    2. Programmer mikrobølgereaktoren til å varme opp til reaksjonstemperaturen ved hjelp av innstillingen så raskt som mulig (til 120 eller 180 °C) og hold ved den temperaturen i 13-30 minutter.
      MERK: Oppvarming så raskt som mulig er en mikrobølgeinnstilling som bruker maksimal mikrobølgeeffekt til ønsket temperatur er oppnådd; Påfør deretter variabel effekt for å opprettholde reaksjonstemperaturen.
    3. Etter at reaksjonen er fullført, luft reaksjonskammeret med trykkluft til oppløsningstemperaturen når 55 °C. Hvert trinn i reaksjonen (oppvarming, oppbevaring og avkjøling) utføres under magnetisk omrøring ved 600 o / min.
  3. Sentrifugering og vasking av mikrobølgereaksjonsutfellingen.
    1. Overfør etterreaksjonsoppløsningen til 50 ml sentrifugerør. Sentrifuger etterreaksjonsløsningen ved 6 000 o / 6 198 rcf i 4 minutter ved romtemperatur og dekanter deretter supernatanten.
    2. Tilsett 25 ml ultrarent vann for å resuspendere nanoarkene. Sentrifuge med de samme forholdene og dekanter deretter supernatanten.
    3. Gjenta vaske-, sentrifugerings- og dekanteringstrinnene totalt fem ganger med vann, og deretter tre ganger ved bruk av etanol.
      MERK: Isopropylalkohol kan også brukes i stedet for etanol.
  4. Måling av pH før og etter mikrobølgereaksjonen
    1. Mål pH i forløperløsningen før mikrobølgereaksjonen startes, og mål pH i supernatanten umiddelbart etter første sentrifugering.
  5. Tørking av prøven
    1. Dekk sentrifugerørene med et tørkepapir eller papirhåndkle for å fungere som et porøst deksel for å redusere potensiell forurensning og tørk dem i en prøveovn ved 70 ° C i 21 timer under omgivelsesatmosfæren.
      MERK: Tørketiden og forholdene kan påvirke de relative intensitetene og 2θ°-verdiene til (XRD) topper, som beskrevet i de representative resultatene.

2. Materialkarakterisering og analyse

  1. Karakterisering av morfologi og sammensetning ved hjelp av scanning elektronmikroskopi (SEM) og energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS)
    1. Forbered prøvene for SEM- og EDS-analyse ved å suspendere en liten mengde Ni (OH) 2-pulver i 1 ml etanol ved hjelp av en sonikator for vannbad.
    2. Dropp Ni(OH)2/etanolblandingen på en SEM-stubb og fordamp etanolen ved å plassere SEM-stubben i en prøveovn ved 70 °C.
    3. Samle SEM-mikrografer og EDS-spektra. Samle SEM-bilder ved hjelp av en akselerasjonsspenning på 10 kV og en strøm på 0,34 nA ved forstørrelser på 6,5 kX, 25 kX og 100 kX. Samle EDS-spektra på utvalgte regioner ved hjelp av en akselerasjonsspenning på 10 kV, en strøm på 1,4 nA og en forstørrelse på 25 kX.
  2. Analysere overflateareal og porøsitet ved hjelp av nitrogenfysisorpsjonsporosimetri
    1. Forbered prøvene for analyse ved å tilsette 25 mg Ni (OH) 2 i prøverøret. Utfør en forhåndsanalyse av avgassing og tørking under vakuum ved 120 °C i 16 timer før analyse.
    2. Overfør prøverøret fra avgassingsporten til analyseporten for å samle nitrogen (N2) isotermer.
    3. Analyser N2 isotermdataene ved hjelp av Brunauer-Emmett-Teller (BET) analyse for å bestemme det spesifikke overflatearealet. Utfør BET-analysen i henhold til International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) metoder33. Den spesifikke analyseprogramvarepakken som brukes til å utføre BET-analysen, er inkludert i materialfortegnelsen.
    4. Analysere desorpsjonsgrenen av isotermen ved hjelp av Barrett-Joyner-Halenda (BJH) metoden for å oppnå porevolum, porediameter og porestørrelsesfordeling. Utfør BJH-analysen i henhold til IUPAC-metodikker. 33 Den spesifikke analyseprogramvarepakken som brukes til å utføre BJH-analyse, er inkludert i materialfortegnelsen.
  3. Strukturell analyse ved bruk av pulverrøntgendiffraksjon (XRD)
    1. Fyll prøvebrønnen i en XRD-holder med null bakgrunn med Ni(OH)2, og sørg for at pulveroverflaten er flat.
    2. Samle pulverrøntgendiffraktogrammer ved hjelp av en CuKα strålingskilde mellom 5 ° -80 ° 2θ ved hjelp av en trinn på 0,01 trinn.
    3. Analyser d-avstanden ved hjelp av Braggs lov,
      nλ = 2d sinθ,
      hvor n er et heltall, λ er bølgelengden til røntgenstrålene, d er d-avstanden, og θ er vinkelen mellom de innfallende strålene og prøven.
    4. Analyser krystallittdomenestørrelsen, D, ved hjelp av Scherrer-ligningen,
      Equation 1
      hvor Ks er Scherrer-konstanten (en Scherrer-konstant på 0,92 ble brukt til analysen), λ er bølgelengden til røntgenstrålene, β2θer integralbredden til diffraksjonstoppen, og θ er Bragg-vinkelen (i radianer). For analyse ble β 2θtatt som full bredde ved halv maksimum (fwhm) og multiplisert med en konstant på 0,939434.
  4. Karakterisering av materialet ved hjelp av svekket total refleksjon-Fourier transform infrarød spektroskopi (ATR-FTIR)
    1. Utstyr den dempede totale refleksjonen (ATR) vedlegg til Fourier transform infrarød (FTIR) spektrometer.
    2. Trykk en liten mengde Ni(OH)2-pulver mellom to glassglass for å lage en liten pellet.
    3. Plasser Ni(OH)2-pelleten på silisium-ATR-krystallen og oppnå et FTIR-spektrum mellom 400 og 4000 cm-1. Infrarøde spektra representerer gjennomsnittet av 16 individuelle skanninger med 4 cm-1 oppløsning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Påvirkning av reaksjonstemperatur og tid på syntesen av α-Ni(OH)2
Før reaksjonen er forløperløsningen [Ni (NO3) 2 · 6 H2O, urea, etylenglykol og vann] en gjennomsiktig grønn farge med en pH på 4,41 ± 0,10 (figur 2A og tabell 1). Temperaturen i mikrobølgereaksjonen (enten 120 °C eller 180 °C) påvirker reaksjonstrykket og fargen på løsningen (figur 2B-G og figur 3). For 120 °C-reaksjonen varmer mikrobølgestrålingen opp forløperløsningen til en temperatur på 120 °C på mindre enn 1 min 30 s. Mikrobølgereaktoren holder temperaturen på 120 °C i 13 til 30 minutter under variabel mikrobølgeeffekt, og deretter bruker beholderen 3 minutter på å kjøle seg ned til 55 °C (figur 3A). Når temperaturen er påført, genererer 120 ° C-reaksjonen en beskjeden mengde trykk, og oppnår et maksimalt reaksjonstrykk på 9-11,5 psi. Oppløsningens pH stiger fra 4,41 ± 0,10 til 6,75 ± 0,04 etter 13 minutter ved 120 °C, og stiger til 7,03 ± 0,04 etter 30 minutter ved 120 °C.  Sentrifugering skiller det utfelte pulveret fra den grønne supernatanten (figur 2B-F). Den påfølgende vask og tørking gir et grønt pulver (figur 2H) med et utbytte på 62 ± 12 mg for reaksjonstiden på 13 minutter og et utbytte på 131 ± 24 mg for reaksjonstiden på 30 minutter ved 120 °C (tabell 1).

Å øke reaksjonstemperaturen fra 120 °C til 180 °C resulterer i betydelig trykkakkumulering (figur 3A vs. 3B), endringer i supernatantfargen etter reaksjonen (figur 2B vs. 2D og 2E vs. 2G), og øker reaksjonsutbyttet i forhold til 120 °C reaksjonstider ved både 13 og 30 minutter (tabell 1). Ved bruk av en reaksjonstemperatur på 180 °C oppnår reaksjonen et maksimalt reaksjonstrykk på 138 psi, sammenfallende med avslutningen av reaksjonen (figur 3A). For å bestemme de relative bidragene fra de forskjellige komponentene til trykket, sammenlignes trykket som genereres ved hjelp av den opprinnelige forløperløsningen til trykket generert ved hjelp av en løsning av vann, etylenglykol og urea og en løsning av vann og etylenglykol (tilleggsfigur 1). Ved sammenligning av trykket som genereres fra hver løsning ved bruk av en reaksjonstemperatur på 180 °C (tilleggsfigur 1), gir ureaholdige oppløsninger høyere trykk. Løsningen av vann og etylenglykol bidrar til en jevn 50 psi gjennom hele reaksjonen; oppløsningen av vann, etylenglykol og urea har en lignende trykkprofil som løsningen av nikkelnitrat, vann, etylenglykol og urea (vist i rødt og blått i tilleggsfigur 1). Det ekstra trykket som genereres ved 180 ° C i ureaholdige løsninger, tilskrives dekomponeringen av urea27 i gassfase CO2 og NH3 (som diskutert i følgende avsnitt) med dampfase H2O som bidrar til det totale trykket.

I motsetning til den grønnfargede supernatanten etter mikrobølgereaksjonen på 120 °C (figur 2E,F), er supernatanten oppnådd etter 180 °C-reaksjonen blå (figur 2G). In situ-fotografier av reaksjonen viser den blå fargen etter at reaksjonen er avkjølt (figur 3C), og løsningen gjennomgår en gradvis fargeendring mellom slutten av mikrobølgeoppvarmingen (boks #2 i figur 3B) og slutten av kjøletrinnet (boks #3 i figur 3B). Før mikrobølgeindusert oppvarming av løsningen til 180 °C gir nikkelsaltet løsningen en gjennomsiktig grønn farge (figur 3C, tilsvarende blokkboks #1 i figur 3B). Oppløsningen er uklar lysegrønn når reaksjonen avsluttes (figur 3C, blokkboks #2 i figur 3B), men etter hvert som reaksjonen avkjøles og trykket avtar, endrer løsningen farge fra grumsete grønn til blå (figur 3C, blokkboks #3 i figur 3B). Supernatanten av 180 °C-reaksjonen har en pH på 8,91 ± 0,03, som er mye høyere i forhold til 120 °C-supernatanten (pH på 6,75 ± 0,04 i 13 minutters reaksjonstid), og den høyere pH kan være relatert til høyere nivåer av ureanedbrytning. Sentrifugering, vasking og tørking av 180 °C-reaksjonen i 13 minutter resulterer i et grønt pulver (ingen antydninger til blå farge med pulveret ble observert) med et utbytte på 202 ± 4 mg, som er mye høyere enn utbyttet av 120 °C-reaksjonene (tabell 1).

Effekt av reaksjonstid og temperatur på morfologien, sammensetningen og porøsiteten til α-Ni(OH)2
Skanning elektronmikrografer (SEM) avslører at de syntetiserte Ni (OH) 2-materialene består av aggregater (~ 1-5 μm i diameter) av ultratynne nanoark som er tilfeldig sammenvevd (figur 4). Fra SEM-bilder påvirker reaksjonstemperaturen den relative retningsveksten av individuelle nanoark i det samlede aggregatet. For 180 °C-reaksjonene (figur 4D-F) synes et individuelt nanoark i aggregatet å ha lengre laterale dimensjoner av ark i forhold til 120 °C-reaksjonene (figur 4A-C og 4G-L). Sammenligningen av SEM-bilder av materialer syntetisert i 13 minutter ved 120 ° C (figur 4A) til 30 minutter ved 120 ° C (figur 4G) viser at økning av reaksjonstiden fra 13 til 30 minutter ved 120 ° C øker størrelsen på kjernefysiske nanostrukturaggregater fra ~ 3 μm til ~ 5 μm. Høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopiavbildning av lignende materialer viste at nanoarkene består av flere krystallitter, i stedet for at et nanoark er en enkelt krystall32. Analysen av materialer produsert fra en variasjon av denne synteseruten viste også at nanoarkene er 2-12 nm tykke og sammensatt av organiserte stabler av individuelle (001) lag12.

Energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) viser en jevn fordeling av nikkel, oksygen, karbon og nitrogen i alle de syntetiserte nanoarkmaterialene (figur 5). Karbon og nitrogen inkorporert i strukturen oppstår fra gjenværende forbindelser fra reaksjonsforløperne (f.eks. nitrater, urea og etylenglykol) og derivater 4,12,35, og tilstedeværelsen av disse forbindelsene i strukturen støttes av FTIR-analyse, som beskrevet nedenfor.

Fra nitrogenfysisorpsjonsanalyse har de mikrobølgesyntetiserte Ni (OH) 2-nanoarkene BET-overflater fra 61-85 m2 · g-1, gjennomsnittlig porevolum på 21-35 Å og kumulative porevolumer på 0,426-0,630 cm3 · g-1 (tabell 1). Ved å bruke IUPAC-nomenklatur for isoterm type og porebredder33, viser materialene laget ved hjelp av denne protokollen alle Type IV-isotermer, og porestørrelsesfordelingsplottene viser at størstedelen av det frie volumet er i mesopore (porebredde 2-50 nm) og makropore (porebredde >50 nm) (tilleggsfigur 2). Fra disse målingene er overflatearealene av materialene fremstilt ved forskjellige reaksjonstemperaturer og tider innenfor den eksperimentelle feilen til hverandre. Materialet syntetisert ved 180 °C i 13 minutter har en mindre porediameter og porevolum enn materialet syntetisert ved 120 °C i 13 minutter, noe som indikerer at reaksjonstemperaturen påvirker materialets porøsitet.

Påvirkning av reaksjonstid og temperatur på strukturen til α-Ni(OH)2
XRD-mønstrene i alle de tre mikrobølgesyntetiserte prøvene viser karakteristiske topper på α-Ni(OH)2. Flere diffraksjonstopper er observert i området 11-12°, 23-24°, 33°, 36° og 59° 2θ, tilsvarende (001), (002), (110), (111) og (300) plan for henholdsvis α-Ni(OH)2 (figur 6A)12. Toppposisjonene observert i røntgendiffraktogrammet av materialet syntetisert ved 120 ° C i 13 minutter samsvarer med en hydrert α-Ni (OH) 2-struktur (ICDD-kort nr. 00-038-0715). For 120 °C-reaksjonen, når syntesetiden øker fra 13 til 30 min, skifter posisjonen til (001) refleksjonen til en lavere 2θ-verdi (figur 6B), og forstørrer mellomlagsgallerihøyden fra 7,85 til 7,94 Å. Å øke syntesetiden fra 13 til 30 minutter ved 120 °C påvirker ikke krystallittdomenestørrelsen signifikant i (001) eller (110) retningene utover eksperimentell feil (resultater oppsummert i tabell 2).

I tillegg til effekten av reaksjonstid, induserer økning av mikrobølgereaksjonstemperaturen fra 120 °C til 180 °C også endringer i α-Ni(OH)2-krystallstrukturen. Ved forhøyede temperaturer forskyves (001) diffraksjonsplanet til en høyere 2θ-verdi (figur 6B), noe som forkorter mellomlagets gallerihøyde fra 7,85 til 7,36 Å og resulterer i en smalere (002) topp, noe som indikerer en høyere grad av orden innenfor mellomlagsområdet (figur 6A). (001) diffraksjonsplanet til α-Ni(OH)2 syntetisert ved 180 °C forekommer i en posisjon mellom en hydrert α-Ni(OH)2 (ICDD-kort nr. 00-038-0715) og en nitrert α-Ni(OH)2 (ICDD-kort nr. 00-022-0752), og strukturen er derfor konsistent med en hydrert/nitratert α-Ni(OH)2 (figur 6B). Ettersom tidligere arbeid indikerer at toppplasseringen til (001) refleksjonene i α-Ni(OH)2 er avhengig av tørkeforhold36, ble de samme tørkeforholdene (70 °C, 21 timer, omgivelsesatmosfæren) brukt på prøvene for å unngå den potensielle effekten av tørkeforhold på (001) toppposisjonen. Til sammenligning ble også effekten av andre tørkeforhold evaluert. Tørkeforhold på 16 timer under omgivelsesatmosfære eller vakuum resulterte i (001) d-avstander innenfor den eksperimentelle feilen i våre standard tørkeforhold på 70 °C i 21 timer under omgivelsesatmosfæren (tilleggsfigur 3B). Bruk av en lengre tørketid på 24 timer under omgivelsesatmosfæren resulterer i en (001) d-avstand som er litt utenfor eksperimentell feil; Skiftene i d-avstand mellom (001) refleksjonen fra bruk av forskjellige reaksjonsbetingelser (tabell 2) er imidlertid utenfor den eksperimentelle feilen ved forskjellige tørkebetingelser (tilleggsfigur 3B).

Nanoarkmorfologien resulterer i signifikant forskjellige størrelser av krystallinske domener sammensatt av (001) og (110) plan, som er ortogonale plan innenfor α-Ni (OH) 2 krystallstrukturen (figur 6C). (001) planene oppstår fra bestilling av Ni (OH) 2 lag, mens (110) planene skyldes rekkefølgen av atomer i nanoarkets plan. For α-Ni(OH)2-materialet syntetisert ved 120 °C er krystallittdomenestørrelsene på 4,5 nm (001) og 12,9 nm (110) konsistente med SEM-bilder som viser større sidedimensjoner på arkene i forhold til tykkelsen på arkene (figur 4). Sammenligning av α-Ni (OH) 2 syntetisert ved 120 ° C og 180 ° C i 13 minutter, har materialet syntetisert ved 180 ° C større domenestørrelser på 6, 6 nm (001) og 15, 2 nm (110) i forhold til verdiene oppnådd ved 120 ° C (tabell 2), noe som stemmer overens med SEM-mikroskopi som viser større og flatere nanoark i aggregatet i forhold til 120 ° C-materialene (figur 4). Materialet syntetisert ved høyere temperatur har en større domenestørrelse, noe som er konsistent med den mindre porediameteren og porevolumet fra nitrogenfysisorpsjonsanalyse (tabell 1).

ATR-FTIR-spektrene til mikrobølgesyntetiserte nanoark i 400-4,000 cm-1-regionen (figur 7A og tabell 2) viser en Ni-O-gittermodus35 mellom 400-800 cm-1, moduser fra ligander og strukturelle molekyler35 mellom 800-2,000 cm-1, cyanatbånd31 mellom 2,000 og 2,500 cm-1 og α-OH gittermodus35 mellom 3,500 og 3,800 cm-1. Inkludert i tilleggstallene er utvidede regioner av Ni-O-gittermodi (tilleggsfigur 4A), cyanatmodi (tilleggsfigur 4B) og α-OH-gittermodi (tilleggsfigur 4C). Eksperimentelle bølgetall for materialer fremstilt under ulike reaksjonsbetingelser og toppoppgaver fra tidligere studier er inkludert i tilleggstabell 1. Innenfor de regionmerkede ligand- og strukturmolekylene i FTIR-spektrene (figur 6B) viser alle prøvene to distinkte nitratvibrasjonsmoduser, et bundet nitrat, ν3 (NO3-), og et fritt nitrat, ν3 (fritt NO3-), en fellesitet blant α-Ni(OH)2 syntetisert fra nikkelnitratløsninger12,35. Alle tre prøvene viservibrasjonelle strekkmodi som oppstår fra urea-avledede cyanater, ν s (C-O-CN) / νs (OCN-) 12,31 og bøyemodus fra fritt vann, δs (H-O-H) 35. ν(C-O)-modusen tilskrives karbonater i α-Ni(OH)2-materialet 31. Å øke reaksjonstiden fra 13 minutter til 30 minutter ved 120 °C resulterer i å redusere den relative intensiteten til ν(C-O)-modusen, noe som støtter at lengre reaksjonstider påvirker inkorporeringen av karbonater i materialet, noe som påvirker mellomlagsområdet4.

Ved å øke reaksjonstemperaturen fra 120 °C til 180 °C endres frekvensene og den relative intensiteten til cyanat-, nitrat-, hydroksyl- og vannvibrasjonsmodusene (figur 7B). Ved å sammenligne materialene ved 120 °C og 180 °C i 13 minutter, ved den høyere reaksjonstemperaturen på 180 °C, skifter frekvensen til δ(α-OH)-modusen til et høyere bølgetall (grønt uthevet område i figur 7B), noe som indikerer en endring i det lokale potensielle energimiljøet til -OH koordinert til Ni-senteret. Reaksjonstemperaturen endrer også de relative intensitetene til cyanat-, nitrat- og fritt vannmodus. Sammenligningen av spektra av prøver oppvarmet til 180 °C og 120 °C viser at i forhold til ν3(NO3-)-modusen (grått uthevet område i figur 7B), er intensiteten til ν(C-O-CN)-modusen (rød innfelling av figur 7B) og modusen δ(H-O-H, fri) (blå innfelling av figur 7B) lavere innenfor 180 °C-materialet sammenlignet med 120 °C-materialet. I tillegg er den relative intensiteten av nitratmodusene, ν3 (NO3-) og ν3 (NO3-, fri), sammenlignet med δ (H-O-H, fri) modus høyere ved forhøyede reaksjonstemperaturer. Økningen i nitratmodusenes relative intensitet sammenlignet med δ(H-O-H, fri) modus ved forhøyede reaksjonstemperaturer støtter XRD-analysen om at den økende reaksjonstemperaturen fra 120 til 180 °C resulterer i at materialet uttrykkes som en hydrert-nitrert α-Ni(OH)2. Toppformen til cyanatmodusen som forekommer mellom 2.000 og 2.500 cm-1 endres også med en forhøyning i reaksjonstemperatur (tilleggsfigur 4B), der det ser ut til å være to bånd i prøvene. I cyanatmodusområdet har prøven oppvarmet til 180 °C en annen relativ intensitet av den høyere frekvenstoppen sammenlignet med den innenfor 120 °C-prøvene.

De observerte endringene i frekvens og relativ intensitet indikerer en reaksjonstemperatur og tidsendring i det lokale potensielle energimiljøet i disse områdene, og ytterligere analyse er nødvendig for ytterligere å etablere frekvensstrukturkorrelasjoner av disse vibrasjonsmodusene i disse materialene.

Figure 1
Figur 1: Skjematisk fremstilling av α-Ni(OH)2 nanoarksyntese. Prosessen brukte 20 ml alikoter av en stamløsning (Ni (NO) 3 · 6 H2O, urea, etylenglykol og H2O) mikrobølgeovn under variable reaksjonstider (13 eller 30 minutter) og temperaturer (120 eller 180 ° C) som produserer α-Ni (OH) 2 nanoark. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Bilder av mikrobølgereaksjonsløsningen sammensatt av nikkelnitrat, urea, etylenglykol og vann. (A) Før mikrobølgestråling; etter mikrobølgestråling i (B) 13 min ved 120 °C, (C) 30 min ved 120 °C og (D) 13 min ved 180 °C. Bilder av prøvene etter den første sentrifugeringen [som skiller Ni(OH)2 fra uomsatt nikkelnitrat, urea, etylenglykol og vann]: (E) 13 minutter ved 120 °C, (F) 30 minutter ved 120 °C og (G) 13 minutter ved 180 °C. (H) Vasket og tørket pulver av materialer syntetisert med 13 minutter ved 120 °C, 30 min ved 120 °C, og 13 min ved 180 °C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Tid, temperatur og trykkprofiler for mikrobølgereaksjonene til løsninger sammensatt av nikkelnitrat, urea, etylenglykol og vann. Påvirkningen av reaksjonstid på mikrobølgens trykk syntetiserte Ni(OH)2 ved (A) 120 °C i 13 og 30 minutter og (B) 180 °C i 13 minutter. (C) In situ reaksjonsfotografier av reaksjonen ved 180 °C. Rosa innsatser 1-3 i (B) tilsvarer in situ reaksjonsfotografiene av reaksjonen i (C). Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Skanning elektronmikrografer av mikrobølgesyntetiserte α-Ni (OH) 2 nanoark ved forskjellige forstørrelser. (A-C) 13 min ved 120 °C, (D-F) 13 min ved 180 °C og (G-L) 30 min ved 120 °C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Energidispersiv røntgenspektroskopisk elementær kartlegging av nikkel (Ni), oksygen (O), karbon (C) og nitrogen (N) i mikrobølgesyntetiserte α-Ni (OH) 2 nanoark. (A-E) 13 min ved 120 °C, (F-J) 13 min ved 180 °C og (K-O) 30 min ved 120 °C. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Røntgendiffraksjonsmønster av mikrobølgesyntetiserte α-Ni (OH) 2 nanoark fremstilt under forskjellige reaksjonsbetingelser (13 min ved 120 ° C, 13 min ved 180 ° C og 30 min ved 120 ° C). (A) Pulver XRD mønster mellom 5 ° -80 ° 2 regioner. (B) Et utvidet område av diffraktogrammet i 10-14° 2-regionene som viser (001) planet til α-Ni(OH)2. (C) Sammenligning av en modell α-Ni (OH) 2 krystallstruktur til mikrobølgesyntetiserte α-Ni (OH) 2 nanoark opprettet ved hjelp av en krystallstrukturprogramvare37. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Dempet total refleksjon-Fourier transform infrarød spektroskopi (ATR-FTIR) spektra av mikrobølgesyntetiserte α-Ni (OH) 2 nanoark. Nanoarkene ble fremstilt under forskjellige reaksjonsbetingelser (13 min ved 120 ° C, 13 min ved 180 ° C og 30 min ved 120 ° C) og analysert av ATR-FTIR i (A) 400-4,000 cm-1-regionen , og (B) utvidet visning i 800-2,000 cm-1-regionen ; Topptildelinger vises, og detaljer om topptildelinger er gitt i teksten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Reaksjonsbetingelser Elementær sammensetning bestemt av EDS Nitrogen Fysisorption
Reaksjonstemperatur (°C) Reaksjonstid (minutter) pH før reaksjon pH etter reaksjon Utbytte (mg) Atom% Ni Atom% O BET: Overflateareal (m2 • g-1) Porediameter (Å) Porevolum (cm3 • g-1)
120 °C 13 4,41 ± 0,10 6,75 ± 0,04 62 ± 12 21 ± 2 68 ± 4 79 ± 19 35 ± 6 0,630 ± 0,093
180 °C 13 4,41 ± 0,10 8,91 ± 0,03 202 ± 4 21 ± 1 67 ± 4 85 ± 10 21 ± 2 0,497 ± 0,085
120 °C 30 4,41 ± 0,10 7,03 ± 0,04 131 ± 24 16 ± 4 67 ± 4 61 ± 21 21 ± 14 0,426 ± 0,115

Tabell 1: Fysiokjemiske egenskaper ved mikrobølgesyntetisert Ni(OH)2. Karakteristikkene ble målt ved forskjellige temperaturer (120 °C og 180 °C) og reaksjonstider (13 min og 30 min); pH, utbytte, elementær sammensetning fra energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) og nitrogenporosimetridata; Detaljer er gitt i teksten.

Mikrobølgereaksjonsbetingelser Røntgendiffraksjon Infrarød spektroskopi
(001) d-avstand (Å) Crystallite domenestørrelse (nm) Bølgetall (cm-1)
<001> <110> ν(Ni-O) δ(α-OH) ν3(NO3-) νs(OCN-)
13 min ved 120 °C 7,85 ± 0,17 4.5 ± 1.1 12,9 ± 1.3 617 1487 1289 2183
13 min ved 180 °C 7,36 ± 0,03 6,6 ± 0,5 15,2 ± 0,6 620 1493 1291 2207
30 min ved 120 °C 7,94 ± 0,02 5,2 ± 0,6 12,0 ± 1,7 620 1498 1294 2197

Tabell 2: Strukturell analyse av mikrobølgesyntetiserte α-Ni(OH)2 nanoark. Strukturell analyse av nanoark fremstilt under forskjellige reaksjonsbetingelser (13 min ved 120 °C, 13 min ved 180 °C og 30 min ved 120 °C) oppnådd fra pulver XRD og Fourier Transform infrarød spektroskopi. Detaljer er gitt i teksten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mikrobølgesyntese gir en rute for å generere Ni (OH) 2 som er betydelig raskere (13-30 min reaksjonstid) i forhold til konvensjonelle hydrotermale metoder (typiske reaksjonstider på 4,5 timer) 38. Ved å bruke denne mildt sure mikrobølgesynteseruten for å produsere ultratynne α-Ni (OH) 2 nanoark, observeres det at reaksjonstid og temperatur påvirker reaksjonens pH, utbytte, morfologi, porøsitet og struktur av de resulterende materialene. Ved bruk av en in situ reaksjonstrykkmåler oppstår en svært liten mengde trykkakkumulering under begge 120 °C-reaksjonene, men å øke reaksjonstemperaturen fra 120 °C til 180 °C genererer betydelig reaksjonstrykk. Urea dekomponerer til NH3 og CO2 (ligning 3) og reagerer deretter videre, genererer CO32- og OH- (ligninger 4 og 5), og NH4 + og OCN- (ligning 6) 27, med kontinuerlig frigjøring av OH- som driver hydrolysen og kondensasjonsreaksjonene som resulterer i veksten av Ni (OH) 2 strukturen27.

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

Økningen i trykk generert under reaksjonen utført ved 180 ° C tilskrives gassen som genereres fra dekomponering av urea. 180 °C-reaksjonen genererer også høyere pH-nivåer som følge av ureamediert alkalisering (økning i pH) i løsningen. Økningen i pH og høyere produktutbytte av 180 °C-reaksjonen skyldes den økte nedbrytningshastigheten av urea, noe som kan drive nikkelnitrathydrolysen og kondensasjonsreaksjonen raskere. Denne analysen stemmer overens med tidligere arbeid, som rapporterte syntesen av α-Ni(OH)2 i urea ogH2O, og fant at reaksjonsutbyttet avhenger av pH-utviklingen26.

Reaksjonstrykket og høyere pH oppnådd ved høyere reaksjonstemperatur kan også påvirke den foretrukne laterale vekstretningen til nanoarkene, som observert fra SEM-bilder (figur 4), med 120 ° C syntetiserte nanoark som organiserer mer tilfeldig i forhold til den mer plane organisasjonen av 180 ° C nanoarkene. Ved avslutning av 180 °C-reaksjonen endres oppløsningsfargen fra grumsete grønn til blå når trykket frigjøres og kan være relatert til en reaksjon av ammoniakk med uomsatt Ni i løsningen, slik at oppløsningen blir blå. Den grønne til blå fargeendringen kan skyldes at NH3 reagerer med gjenværende uomsatt Ni2+ og danner en blå løsning som kan inneholde et NH 3-koordinert Ni-kompleks39. Imidlertid er det nødvendig med ytterligere analyse for å identifisere den spesifikke spesieringen av den blå fargen.

En tidligere studie fra Suib-gruppen rapporterte at temperaturen i området 80-120 °C (over ureahydrolysetemperaturen på 60 °C) ikke er en kritisk faktor i mikrobølgeassistert, ureamediert syntese av α-Ni(OH)2 nanoblomster27. I denne studien påvirker høyere temperaturer (120-180 °C) den krystallinske strukturen, den lokale strukturen og porøsiteten til α-Ni(OH)2. Denne mikrobølgesynteseløsningen skiller seg fra deres ved valg av løsningsmiddel; denne reaksjonen bruker en blandet etylenglykol / H2O, mens Suibs gruppe brukte etanol / H2O som reaksjonsmedium27. BET-overflaten av α-Ni (OH) 2 nanoark syntetisert ved hjelp av denne protokollen (61-85 m2 · g-1) er større sammenlignet med Ni (OH) 2 syntetisert fra NiCl2 (9,2 m2 · g-1) 22, men lavere enn mikrobølgeassistert refluks av nikkelnitrat i etanol (173 m2 · g-1) 21.

Når syntetisert i urea og H2O, rapporteres α-Ni (OH) 2 krystallittveksten å være anisotrop, økende i (001) retning [med (110) veksten forblir konstant] med reaksjonstid og utjevning med uttømming av Ni2 + i løsning26. I denne studien observeres en større endring i krystallittstørrelse i (001) og (110) retningene ved forhøyede temperaturer sammenlignet med krystallittstørrelsesendringer indusert av en lengre reaksjonstid. Mellomlagsområdet av metallsubstituert α-Ni(OH)2 har vist seg å endre d-avstanden og mellomlagsrekkefølgen basert på elektrostatikk og populasjonen av molekyler i mellomlaget12. På samme måte viser dette arbeidet endringer i d-avstanden og mellomlagsrekkefølgen, men ved forhøyede reaksjonstemperaturer og lengre reaksjonstider, i stedet for ved bruk av metalldopant. XRD-, FTIR- og SEM-EDS-analyser indikerer at ved bruk av en reaksjonstemperatur på 120 °C er α-Ni(OH)2-materialets struktur en hydratisert form av α-Ni(OH)2, med et mellomlagsområde som hovedsakelig inneholder frie nitrater, frie vannmolekyler og andre gjenværende molekyler fra startkjemikaliene. En representasjon av α-Ni(OH)2-krystallstrukturen med mellomlagsvann og ioner er vist i figur 6C, hvor mellomlagsvannet og ionene ikke er innenfor faste krystallografiske posisjoner i enhetscellen, men har en viss frihet til å rotere og oversette i abplanet4.

Når reaksjonstemperaturen økes til 180 °C, observeres en mindre (001) d-avstand, et mer ordnet (002) mellomlagsområde og en reduksjon i den relative intensiteten til δ(HOH, fri) vibrasjonsmodus. Under syntesen ved 180 ° C oppstår trykkakkumuleringen i reaksjonen delvis fra dekomponering av urea, men også fra fordampning av H2O, noe som resulterer i mindre løsningsfase H2O tilgjengelig for å innlemme i α-Ni (OH) 2-strukturen. Forskjellene i XRD-toppposisjoner og relative intensiteter av nitratmodusene, ν3 (NO3-) og ν3 (NO3-, fri), sammenlignet med δ (H-O-H, fri) modus ved 120 og 180 ° C støtter at gjennomføring av reaksjonen ved høyere temperatur øker den relative konsentrasjonen av nitrater i strukturen; Imidlertid er det nødvendig med ytterligere analyse for å bestemme hvordan nitratanioner interagerer i strukturen. Urea-dekomponering bidrar til økt reaksjonstrykk, driver Ni(OH)2-hydrolysen og kondensasjonsreaksjonen mot høyere reaksjonsutbytte i forhold til 120 °C-reaksjonene. Den relative intensiteten til νs (C-O-CN) -modusen til 180 °C-prøven avtar i forhold til 120 °C-prøven, noe som indikerer at mindre av urea-nedbrytningsproduktet er tilstede i strukturen ved høyere temperaturer.

Dette arbeidet gir en protokoll for mikrobølgeassistert syntese av Ni (OH) 2 og viser at reaksjonstemperatur og tid påvirker α-Ni (OH) 2 struktur og utbytte. Bruk av forskjellige syntesebetingelser for å kontrollere strukturen gir en vei til å utvikle forbedrede materialer for batterier og andre applikasjoner. Begrensninger av denne reaksjonen inkluderer relativt store mengder nikkelholdig vandig avfall som følge av vaske-/sentrifugetrinnene i protokollen. Reaksjonen kan generere høyt trykk og ammoniakk som et biprodukt og kan ikke være egnet for friluftsreaktorer eller ikke-ventilerte arbeidsplasser. I tillegg ble denne protokollen evaluert i en mikrobølgereaktor i laboratorieskala og kan modifiseres for å skalere synteseruten til kiloskalaen.

Tilleggsfigur 1: Sammenligning av reaksjonstemperatur og reaksjonstrykk versus tid. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 2: Analyse av mikrobølgesyntetiserte αNi (OH) 2 nanoark. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 3: Effekter av tørkebetingelser på røntgendiffraksjonsmønstre av α-Ni(OH)2. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggsfigur 4: Dempet total refleksjon-Fouriertransform infrarødt (ATR-FTIR) spektra av mikrobølgesyntetiserte α-Ni (OH) 2 nanoark. Klikk her for å laste ned denne filen.

Tilleggstabell 1: FTIR-analyse av mikrobølgesyntetiserte α-Ni(OH)2 nanoark. Klikk her for å laste ned denne filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter.

Acknowledgments

S.W.K. og C.P.R. takker for støtte fra Office of Naval Research Navy Undersea Research Program (Grant No. N00014-21-1-2072). S.W.K. anerkjenner støtte fra Naval Research Enterprise Internship Program. CPR og CM anerkjenner støtte fra National Science Foundation Partnerships for Research and Education in Materials (PREM) Center for Intelligent Materials Assembly, Award No. 2122041, for analyse av reaksjonsbetingelsene.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ATR-FTIR Bruker Tensor II FT-IR spectrometer equipped with a Harrick Scientific SplitPea ATR micro-sampling accessory
Bath sonicator Fisher Scientific 15-337-409 --
Ethanol  VWR analytical AC61509-0040 200 proof
Ethylene Glycol VWR analytical BDH1125-4LP 99% purity
Falcon Centrifuge tubes VWR analytical 21008-940 50 mL
KimWipes VWR analytical 21905-026 --
Lab Quest 2 Vernier  LABQ2 --
Microwave Reactor Anton Parr 165741 Monowave 450
Ni(NO3)2 · 6 H2O Ward's Science 470301-856 Research lab grade
pH Probe Vernier  PH-BTA Calibrated vs standard pH solutions (pH= 4, 7, 11)
Porosemeter Micromeritics  -- ASAP 2020. Analysis software: Micromeritics, version 4.03
Powder x-ray diffactometer Bruker AXS Advanced Poweder x-ray diffractometer; d-spacing, and crystallite size analyses were performed using Highscore XRD software, and crystal structures were created using VESTA 3 software.
Reaction vial Anton Parr 82723 30 mL G30 wideneck, 20 mL max fill capacity
Reaction vial locking lid Anton Parr 161724 G30 Snap Cap
Reaction vial PTFE septum Anton Parr 161728 Wideneck
Scanning electron microscope FEI -- Helios Nanolab 400
Urea VWR analytical BDH4602-500G ACS grade

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Liu, B., et al. 120 Years of nickel-based cathodes for alkaline batteries. Journal of Alloys and Compounds. 834, 155185 (2020).
  2. Young, K. H., et al. Fabrications of high-capacity α-Ni(OH)2. Batteries. 3, 6 (2017).
  3. Huang, M., Li, M., Niu, C., Li, Q., Mai, L. Recent advances in rational electrode designs for high-performance alkaline rechargeable batteries. Advanced Functional Materials. 29 (11), 1807847 (2019).
  4. Hall, D. S., Lockwood, D. J., Bock, C., MacDougall, B. R. Nickel hydroxides and related materials: a review of their structures, synthesis and properties. Proceedings of the Royal Society A. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 471 (2174), 20140792 (2015).
  5. Miao, Y., et al. Electrocatalysis and electroanalysis of nickel, its oxides, hydroxides and oxyhydroxides toward small molecules. Biosensors and Bioelectronics. 53, 428-439 (2014).
  6. Suen, N. T., et al. Electrocatalysis for the oxygen evolution reaction: recent development and future perspectives. Chemical Society Reviews. 46 (2), 337-365 (2017).
  7. Diaz-Morales, O., Ledezma-Yanez, I., Koper, M. T., Calle-Vallejo, F. Guidelines for the rational design of Ni-based double hydroxide electrocatalysts for the oxygen evolution reaction. ACS Catalysis. 5 (9), 5380-5387 (2015).
  8. Rossini, P. dO., et al. Ni-based double hydroxides as electrocatalysts in chemical sensors: a review. Trends in Analytical Chemistry. 126, 115859 (2020).
  9. Yu, Z., Bai, Y., Tsekouras, G., Cheng, Z. Recent advances in Ni-Fe (Oxy)hydroxide electrocatalysts for the oxygen evolution reaction in alkaline electrolyte targeting industrial applications. Nano Select. 3 (4), 766-791 (2021).
  10. Othman, M. R., Helwani, Z., Martunus, F. W. J. N. Synthetic hydrotalcites from different routes and their application as catalysts and gas adsorbents: a review. Applied Organometallic Chemistry. 23 (9), 335-346 (2009).
  11. Bode, V. H., Dehmelt, K., Witte, J. About the nickel hydroxide electrode. II. On the oxidation products of nickel(II) hydroxidesZeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie. 366, 1-21 (1969).
  12. Kimmel, S. W., et al. Capacity and phase stability of metal-substituted α-Ni(OH)2 nanosheets in aqueous Ni-Zn batteries. Materials Advances. 2 (9), 3060-3074 (2021).
  13. Corrigan, D. A., Knight, S. L. Electrochemical and spectroscopic evidence on the participation of quadrivalent nickel in the nickel hydroxide redox reaction. Journal of the Electrochemical Society. 136 (3), 613-619 (1989).
  14. Shangguan, E., et al. A comparative study of structural and electrochemical properties of high-density aluminum substituted α-nickel hydroxide containing different interlayer anions. Journal of Power Sources. 282, 158-168 (2015).
  15. Li, Y. W., et al. Effect of interlayer anions on the electrochemical performance of Al-substituted α-type nickel hydroxide electrodes. International Journal of Hydrogen Energy. 35 (6), 2539-2545 (2010).
  16. Wang, C., Zhang, X., Xu, Z., Sun, X., Ma, Y. Ethylene glycol intercalated cobalt/nickel layered double hydroxide nanosheet assemblies with ultrahigh specific capacitance: structural design and green synthesis for advanced electrochemical storage. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (35), 19601-19610 (2015).
  17. Hunter, B. M., Hieringer, W., Winkler, J. R., Gray, H. B., Müller, A. M. Effect of interlayer anions on [NiFe]-LDH nanosheet water oxidation activity. Energy & Environmental Science. 9 (5), 1734-1743 (2016).
  18. Zhou, D., et al. Effects of redox-active interlayer anions on the oxygen evolution reactivity of NiFe-layered double hydroxide nanosheets. Nano Research. 11, 1358-1368 (2018).
  19. Cochran, E. A., Woods, K. N., Johnson, D. W., Page, C. J., Boettcher, S. W. Unique chemistries of metal-nitrate precursors to form metal-oxide thin films from solution: materials for electronic and energy applications. Journal of Materials Chemistry A. 7 (42), 24124-24149 (2019).
  20. Bilecka, I., Niederberger, M. Microwave chemistry for inorganic nanomaterials synthesis. Nanoscale. 2 (8), 1358-1374 (2010).
  21. Zhang, X., et al. Microwave-assisted synthesis of 3D flowerlike alpha-Ni(OH)2 nanostructures for supercapacitor application. Science China Technological Sciences. 58, 1871-1876 (2015).
  22. Li, J., Wei, M., Chu, W., Wang, N. High-stable α-phase NiCo double hydroxide microspheres via microwave synthesis for supercapacitor electrode materials. Chemical Engineering Journal. 316, 277-287 (2017).
  23. Tao, Y., et al. Microwave synthesis of nickel/cobalt double hydroxide ultrathin flowerclusters with three-dimensional structures for high-performance supercapacitors. Electrochimica Acta. 111, 71-79 (2013).
  24. Zhu, Y., et al. Ultrathin nickel hydroxide and oxide nanosheets: synthesis, characterizations and excellent supercapacitor performances. Scientific Reports. 4, 1-7 (2014).
  25. Benito, P., Labajos, F. M., Rives, V. Microwave-treated layered double hydroxides containing Ni and Al: the effect of added Zn. Journal of Solid State Chemistry. 179 (12), 3784-3797 (2006).
  26. Soler-Illia, G. J. dA., Jobbágy, M., Regazzoni, A. E., Blesa, M. A. Synthesis of nickel hydroxide by homogeneous alkalinization. precipitation mechanism. Chemistry of Materials. 11 (11), 3140-3146 (1999).
  27. Xu, L., et al. 3D flowerlike α-nickel hydroxide with enhanced electrochemical activity synthesized by microwave-assisted hydrothermal method. Chemistry of Materials. 20 (1), 308-316 (2008).
  28. Alshareef, S. F., Alhebshi, N. A., Almashhori, K., Alshaikheid, H. S., Al-Hazmi, F. A ten-minute synthesis of alpha-Ni(OH)2 nanoflakes assisted by microwave on flexible stainless-steel for energy storage devices. Nanomaterials. 12 (11), 1911 (2022).
  29. Godínez-Salomón, F., et al. Self-supported hydrous iridium-nickel oxide two-dimensional nanoframes for high activity oxygen evolution electrocatalysts. ACS Catalysis. 8 (11), 10498-10520 (2018).
  30. Godínez-Salomón, F., Albiter, L., Mendoza-Cruz, R., Rhodes, C. P. Bimetallic two-dimensional nanoframes: high activity acidic bifunctional oxygen reduction and evolution electrocatalysts. ACS Applied Energy Materials. 3 (3), 2404-2421 (2020).
  31. Ying, Y., et al. Hydrous cobalt-iridium oxide two-dimensional nanoframes: insights into activity and stability of bimetallic acidic oxygen evolution electrocatalysts. Nanoscale Advances. 3 (7), 1976-1996 (2021).
  32. Kimmel, S. W., et al. Structure and magnetism of iron-substituted nickel hydroxide nanosheets. Magnetochemistry. 9 (1), 25-47 (2023).
  33. Thommes, M., et al. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 87 (9-10), 1051-1069 (2015).
  34. Birkholz, M., Fewster, P. F., Genzel, C. Thin Film Analysis by X-ray Scattering. , Wiley-VCH. (2006).
  35. Hall, D. S., Lockwood, D. J., Poirier, S., Bock, C., MacDougall, B. R. Raman and infrared spectroscopy of alpha and beta phases of thin nickel hydroxide films electrochemically formed on nickel. Journal of Physical Chemistry A. 116 (25), 6771-6784 (2012).
  36. Choy, J. H., Kwon, Y. M., Han, K. S., Song, S. W., Chang, S. H. Intra- and inter-layer structures of layered hydroxy double salts, Ni1-xZn2x(OH)2(CH3CO2)2xnH2O. Materials Letters. 34 (3-6), 356-363 (1998).
  37. Momma, K., Izumi, F. VESTA for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data. Journal of Applied Crystallography. 44 (6), 1272-1276 (2011).
  38. Godinez-Salomon, F., Mendoza-Cruz, R., Arellano-Jimenez, M. J., Jose-Yacaman, M., Rhodes, C. P. Metallic two-dimensional nanoframes: unsupported hierarchical nickel-platinum alloy nanoarchitectures with enhanced electrochemical oxygen reduction activity and stability. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (22), 18660-18674 (2017).
  39. Shakhashiri, B. Z., Dirreen, G. E., Juergens, F. Color, solubility, and complex ion equilibria of nickel (II) species in aqueous solution. Journal of Chemical Education. 57 (12), 900-901 (1980).

Tags

Kjemi utgave 198 reaksjonstemperatur reaksjonstid materialstruktur produktutbytte mellomlagsavstand krystallinsk domenestørrelse porediameter reaksjonstrykk mikrobølgeassistert syntesevei prosess med høy gjennomstrømning overgangsmetallhydroksider energilagring katalyse sensorapplikasjoner
Effekt av mikrobølgesyntesebetingelser på strukturen av nikkelhydroksid nanoark
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kimmel, S. W., Kuykendall, V.,… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter