Наноструктуры ZnO, выращенные методом ультразвукового синтеза
Ультразвуковой синтез наночастиц привлекает все большее внимание благодаря своей способности производить наноматериалы с контролируемым размером, морфологией и кристалличностью в мягких условиях реакции. Этот метод использует акустическую кавитацию для генерации локализованных высоких температур и давлений, способствуя усилению зарождения и росту наночастиц. По сравнению с традиционными методами синтеза, ультразвуковой синтез имеет такие преимущества, как быстрая скорость реакции, масштабируемость и возможность тонкой настройки структурных свойств путем изменения параметров реакции.
В качестве примера мы используем синтез наноструктур ZnO для того, чтобы подчеркнуть преимущества ультразвукового синтеза наночастиц с модифицированными структурами. В исследовании Morales-Flores et al. (2013) исследуется роль сонохимического синтеза в контроле морфологии наноструктур ZnO. Используя ультразвуковой аппарат зондового типа Hielscher UP400St (400 Вт, 24 кГц), исследователи продемонстрировали, как изменения условий реакции, в частности pH, влияют на конечную морфологию, структурные свойства и фотолюминесцентное поведение наноструктур ZnO.
Ультразвуковой аппарат УП400Ст для сонохимического синтеза наночастиц
Экспериментальная установка – Синтез наночастиц ZnO с помощью ультразвуковой обработки
Водные растворы ацетата цинка (0,068 М) подвергали ультразвуковому облучению с рассеиваемой мощностью 40 Вт при потоке аргона. pH реакции регулировали в диапазоне от 7 до 10 с использованием гидроксида аммония (NH4OH), что значительно повлияло на морфологию синтезированных структур ZnO. Сонохимический процесс индуцировал акустическую кавитацию, создавая локализованные условия высокой температуры и высокого давления, которые способствовали зарождению и росту ZnO.
Влияние рН на морфологию и структурные свойства
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) выявила различные морфологии при разных уровнях pH:
- рН 7,0: Формирование стержневидных наноструктур ZnO (ширина 86 нм, длина 1182 нм) со смешанной фазой ZnO/Zn(OH)2.
- рН 7,5–8,0: Переход к граненым стержням и чашечным стержням (длина ~250–430 нм, ширина 135–280 нм).
- pH 9,0: Веретенообразные наноструктуры ZnO (длина ~256 нм, ширина 95 нм) с высокой микродеформацией.
- pH 10,0: Однородные граненые нанобатончики (длина ~407 нм, ширина 278 нм) с пониженной плотностью дефектов.
СЭМ-микрофотографии ультразвуково синтезированных наноструктур ZnO, выращенных при (a) pH 7, (b) pH 7,5, (c) pH 8, d) pH 9,
и (e) pH 10 реакционной смеси.
(Исследование и изображения: ©Флорес-Моралес и др., 2013)
X-ray diffraction (XRD) confirmed the presence of hexagonal wurtzite ZnO for pH > 7, with enhanced crystallinity and grain growth at higher pH values.
Оптические свойства и контроль дефектов
Фотолюминесцентный анализ (ПЛ) при комнатной температуре выявил две основные полосы излучения:
- Ультрафиолетовое излучение (~380 нм): Экситонные переходы, близкие к границе полосы.
- Видимое излучение (~580 нм): Связано со структурными дефектами, такими как кислородные вакансии и межтканевые дефекты.
Примечательно, что увеличение pH приводило к более высокой интенсивности излучения, связанной с дефектами, до pH 9, что объяснялось увеличением площади поверхности и дефектами решетки. Однако при рН 10 интенсивность излучения дефектов снижалась из-за уменьшения поверхностных и решетчатых дефектов.
“Наноструктуры ZnO различной морфологии могут быть получены путем ультразвукового гидролиза ацетата цинка в водном растворе путем регулирования скорости его гидролиза путем регулировки pH. В то время как раствор с pH 7 или ниже образует нечистые наноструктуры ZnO, смешанные с фазой Zn(OH)2, более высокие значения pH реакционной смеси производят наноструктуры ZnO в чистой гексагональной фазе. Контролируя рН раствора в диапазоне от 7,5 до 10, можно получать наноструктуры ZnO в фазах различной морфологии и контролировать концентрацию их структурных и поверхностных дефектов. Продемонстрировано эффективное использование маломощного ультразвука для химического синтеза наноструктур ZnO.”
Flores-Morales et al., 2013
Данное исследование иллюстрирует глубокое влияние ультразвукового облучения с использованием UP400St на синтез наноструктуры ZnO. Настроив pH, исследователи успешно модулировали морфологию, кристалличность и плотность дефектов. Полученные данные подчеркивают потенциал сонохимических методов для специализированного синтеза наночастиц, предлагая пути для применения в оптоэлектронике и катализе.
Получите лучший ультразвуковой аппарат для синтеза наночастиц
Ультразвуковые аппараты зондового типа Hielscher известны своей мощностью, надежностью, точностью и удобством использования, что делает их идеальным выбором для синтеза наночастиц. Благодаря передовым технологиям и надежной конструкции эти ультразвуковые процессоры обеспечивают беспрецедентный контроль над сонохимическими реакциями, обеспечивая воспроизводимость и эффективность. Например, UP400St обеспечивает точный ввод энергии и настраиваемые настройки, что позволяет исследователям настраивать условия синтеза для оптимальной морфологии и кристалличности наночастиц. Будь то лабораторные исследования или промышленное применение, ультразвуковые аппараты Hielscher гарантируют высокую производительность и простоту использования, укрепляя свою репутацию лучшего выбора для сонохимического синтеза.
Воспользуйтесь преимуществами ультразвука для синтеза наночастиц!
- Высокая эффективность
- Современные технологии
- надёжность & робастность
- Регулируемое, точное управление процессом
- партия & встроенный
- для любого объема – От лаборатории до производственного масштаба
- Интеллектуальное программное обеспечение
- интеллектуальные функции (например, программируемые, протоколирование передачи данных, дистанционное управление)
- Простота и безопасность в эксплуатации
- Низкие эксплуатационные расходы
- CIP (безразборная мойка)
Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»
Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.
Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| 0от 0,5 до 1,5 мл | н.а. | VialTweeter |
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| От 15 до 150 л | От 3 до 15 л/мин | УИП6000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | УИП16000HDT |
| н.а. | больше | Кластер УИП16000HDT |
Caution: Video "duration" is missing
Ультразвуковой гомогенизатор UIP1000hdT, мощный ультразвуковой аппарат мощностью 1000 Вт для синтеза наночастиц, таких как наночастицы ZnO, с помощью зеленой химии
Часто задаваемые вопросы
Для чего используются наночастицы ZnO?
Наночастицы ZnO широко используются в биомедицинских приложениях, фотокатализе, датчиках, УФ-экранировании, антибактериальных покрытиях и оптоэлектронике благодаря своим уникальным оптическим, электрическим и антимикробным свойствам.
Какие существуют методы синтеза наночастиц ZnO?
Общие методы синтеза наночастиц ZnO включают золь-гель, осаждение, гидротермальный, сольвотермальный и зеленый синтез. Каждый метод влияет на размер, морфологию и кристалличность частиц, влияя на их производительность в различных приложениях.
Каковы свойства синтеза наночастиц ZnO и их применение?
Наночастицы ZnO обладают большой площадью поверхности, сильным поглощением ультрафиолета, пьезоэлектричеством и фотокаталитической активностью. Их синтез влияет на такие свойства, как распределение по размерам, чистота фаз и поверхностные дефекты, которые имеют решающее значение для применения в области восстановления окружающей среды, доставки лекарств и хранения энергии.
Какой метод лучше всего подходит для синтеза наночастиц?
Лучший метод синтеза наночастиц зависит от желаемых свойств и применения. Сонохимический синтез, в котором используется ультразвуковое облучение, очень эффективен для получения наночастиц ZnO с контролируемым размером, высокой чистотой и увеличенной площадью поверхности. Он способствует быстрому зародышеобразованию, предотвращает агломерацию и может сочетаться с гидротермальными или золь-гель методами для улучшения кристалличности и диспергирования. Этот подход особенно выгоден для биомедицинских, каталитических и сенсорных приложений благодаря своей энергоэффективности и способности производить однородные наноструктуры.
Узнайте больше об ультразвуковых золь-гель реакциях!
Какова химическая стабильность наночастиц ZnO?
Наночастицы ZnO демонстрируют умеренную химическую стабильность, но могут подвергаться растворению в кислой среде и фоторазложению при длительном воздействии ультрафиолета. Модификации поверхности и легирование могут улучшить их стабильность в конкретных приложениях.
Литература / Литература
- N. Morales-Flores, R. Galeazzi, E. Rosendo, T. Díaz, S. Velumani, U. Pal (2013): Morphology control and optical properties of ZnO nanostructures grown by ultrasonic synthesis. Advances in Nano Research, Vol. 1, No. 1; 2013. 59-70.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Poinern G.E., Brundavanam R., Thi-Le X., Djordjevic S., Prokic M., Fawcett D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. Int J Nanomedicine. 2011; 6: 2083–2095.
- László Vanyorek, Dávid Kiss, Ádám Prekob, Béla Fiser, Attila Potyka, Géza Németh, László Kuzsela, Dirk Drees, Attila Trohák, Béla Viskolcz (2019): Application of nitrogen doped bamboo-like carbon nanotube for development of electrically conductive lubricants. Journal of Materials Research and Technology, Volume 8, Issue 3, 2019. 3244-3250.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.