Nanostrukture ZnO uzgojene ultrazvučnom sintezom

Ultrazvučna sinteza nanočestica privlači sve veću pozornost zbog svoje sposobnosti proizvodnje nanomaterijala kontrolirane veličine, morfologije i kristaliničnosti u blagim reakcijskim uvjetima. Tehnika se koristi akustičnom kavitacijom za lokalno stvaranje visokih temperatura i tlakova, čime se potiču pojačana nukleacija i rast nanočestica. U usporedbi s konvencionalnim metodama sinteze, ultrazvučna sinteza nudi prednosti poput velike brzine reakcije, mogućnosti povećanja razmjera procesa i preciznog podešavanja strukturnih svojstava promjenom reakcijskih parametara.

Sintezu nanostruktura ZnO koristimo kao ogledni primjer kako bismo istaknuli prednosti ultrazvučne sinteze nanočestica s modificiranim strukturama. Studija Morales-Flores et al. (2013) istražuje ulogu sonokemijske sinteze u kontroli morfologije nanostruktura ZnO. Koristeći Hielscher sonikator sa sondom UP400St (400 vata, 24 kHz), istraživači su pokazali kako promjene reakcijskih uvjeta, osobito pH, utječu na konačnu morfologiju, strukturna svojstva i fotoluminiscencijsko ponašanje nanostruktura ZnO.

Eksperimentalni postav – sinteza nanočestica ZnO sonikacijom

Vodene otopine cinkova acetata (0,068 M) izložene su ultrazvučnom zračenju pri disipiranoj snazi od 40 W uz protok argona. pH reakcijske smjese podešavan je između 7 i 10 pomoću amonijeva hidroksida (NH4OH), što je znatno utjecalo na morfologiju sintetiziranih struktura ZnO. Sonokemijski proces izazvao je akustičnu kavitaciju, lokalno stvarajući uvjete visoke temperature i visokog tlaka koji su poticali nukleaciju i rast ZnO.

Utjecaj pH na morfologiju i strukturna svojstva

Pretražna elektronska mikroskopija (SEM) otkrila je različite morfologije pri različitim vrijednostima pH:

• pH 7,0: Stvaranje štapićastih nanostruktura ZnO (širine 86 nm, duljine 1182 nm) s miješanom fazom ZnO/Zn(OH)2.
• pH 7,5–8,0: Prijelaz u fasetirane šipke i šipke s krajevima u obliku čašice (duljine ~250–430 nm, širine 135–280 nm).
• pH 9,0: Vretenaste nanostrukture ZnO (duljine ~256 nm, širine 95 nm) s visokom mikrodeformacijom.
• pH 10,0: Jednolike fasetirane nanošipke (duljine ~407 nm, širine 278 nm) sa smanjenom gustoćom defekata.

SEM mikrografije ultrazvučno sintetiziranih nanostruktura ZnO uzgojenih pri vrijednostima pH reakcijske smjese (a) pH 7, (b) pH 7,5, (c) pH 8, d) pH 9,
i (e) pH 10.
(Studija i slike: ©Flores-Morales et al., 2013)

Rendgenska difrakcija (XRD) potvrdila je prisutnost ZnO s heksagonskom vurcitnom strukturom pri pH > 7, uz povećanu kristaliničnost i rast zrna pri višim vrijednostima pH.

Optička svojstva i kontrola defekata

Analiza fotoluminiscencije (PL) pri sobnoj temperaturi istaknula je dvije glavne emisijske vrpce:

• Ultraljubičasta emisija (~380 nm): ekscitonski prijelazi blizu ruba energetske vrpce.
• Vidljiva emisija (~580 nm): povezana sa strukturnim defektima poput kisikovih vakancija i intersticijskih defekata.

Posebno se ističe da je povećanje pH dovelo do većeg intenziteta emisije povezane s defektima sve do pH 9, što je pripisano povećanoj površini i nesavršenostima kristalne rešetke. Međutim, pri pH 10 intenzitet emisije povezane s defektima smanjio se zbog smanjenja broja površinskih defekata i defekata kristalne rešetke.

“Nanostrukture ZnO različitih morfologija mogle su se proizvesti ultrazvučnom hidrolizom cinkova acetata u vodenoj otopini kontroliranjem brzine njegove hidrolize podešavanjem pH. Dok pH otopine od 7 ili niži daje nečiste nanostrukture ZnO pomiješane s fazom Zn(OH)2, više vrijednosti pH reakcijske smjese daju nanostrukture ZnO u čistoj heksagonskoj fazi. Kontroliranjem pH otopine između 7,5 i 10 mogle su se proizvesti fazno čiste nanostrukture ZnO različite morfologije te se mogla kontrolirati koncentracija njihovih strukturnih i površinskih defekata. Pokazana je učinkovita primjena ultrazvuka male snage za kemijsku sintezu nanostruktura ZnO.”
Flores-Morales et al., 2013

Ova studija pokazuje snažan utjecaj ultrazvučnog zračenja uređajem UP400St na sintezu nanostruktura ZnO. Podešavanjem pH istraživači su uspješno mijenjali morfologiju, kristaliničnost i gustoću defekata. Rezultati ističu potencijal sonokemijskih metoda za prilagođenu sintezu nanočestica, otvarajući mogućnosti primjene u optoelektronici i katalizi.

Nabavite najbolji sonikator za sintezu nanočestica

Hielscher sonikatori sa sondom poznati su po svojoj snazi, pouzdanosti, preciznosti i jednostavnosti uporabe, što ih čini idealnim izborom za sintezu nanočestica. Zahvaljujući najsuvremenijoj tehnologiji i robusnoj konstrukciji, ovi ultrazvučni procesori nude nenadmašnu kontrolu nad sonokemijskim reakcijama, osiguravajući ponovljivost i učinkovitost. Primjerice, UP400St omogućuje precizan unos energije i prilagodljive postavke, što istraživačima omogućuje prilagodbu uvjeta sinteze za optimalnu morfologiju i kristaliničnost nanočestica. Bilo da se koriste za laboratorijska istraživanja ili industrijske primjene, Hielscher sonikatori jamče visoku učinkovitost i jednostavnost uporabe, čime učvršćuju svoj ugled kao vrhunski izbor za sonokemijsku sintezu.
Iskoristite snagu ultrazvuka za sintezu nanočestica!
 

Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj

Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po najvišim standardima kvalitete i projektiranja. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.

Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji sukladni su zahtjevima oznake CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.

Tablica u nastavku daje okvirni prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: