Nanoštruktúry ZnO vypestované ultrazvukovou syntézou

Ultrazvuková syntéza nanočastíc priťahuje čoraz väčšiu pozornosť vďaka svojej schopnosti vytvárať nanomateriály s riadenou veľkosťou, morfológiou a kryštalinitou za miernych reakčných podmienok. Táto technika využíva akustickú kavitáciu na lokálne vytváranie vysokých teplôt a tlakov, čím podporuje intenzívnejšiu nukleáciu a rast nanočastíc. V porovnaní s konvenčnými metódami syntézy ponúka ultrazvuková syntéza výhody, ako sú vysoké reakčné rýchlosti, škálovateľnosť a možnosť jemne doladiť štruktúrne vlastnosti úpravou reakčných parametrov.

Syntézu nanoštruktúr ZnO používame ako názorný príklad na zdôraznenie výhod ultrazvukovej syntézy nanočastíc s modifikovanými štruktúrami. Štúdia Morales-Flores et al. (2013) skúma úlohu sonochemickej syntézy pri riadení morfológie nanoštruktúr ZnO. Pomocou sondového sonikátora Hielscher UP400St (400 wattov, 24 kHz) výskumníci preukázali, ako zmeny reakčných podmienok, najmä pH, ovplyvňujú výslednú morfológiu, štruktúrne vlastnosti a fotoluminiscenčné správanie nanoštruktúr ZnO.

Experimentálne usporiadanie – syntéza nanočastíc ZnO pomocou sonikácie

Vodné roztoky octanu zinočnatého (0,068 M) boli vystavené ultrazvukovému ožarovaniu pri disipovanom výkone 40 W za prietoku argónu. Reakčné pH sa upravovalo v rozmedzí od 7 do 10 pomocou hydroxidu amónneho (NH4OH), čo významne ovplyvnilo morfológiu syntetizovaných štruktúr ZnO. Sonochemický proces vyvolal akustickú kavitáciu, ktorá lokálne vytvárala podmienky s vysokou teplotou a vysokým tlakom podporujúce nukleáciu a rast ZnO.

Vplyv pH na morfológiu a štruktúrne vlastnosti

Skenovacia elektrónová mikroskopia (SEM) odhalila odlišné morfológie pri rôznych hodnotách pH:

• pH 7,0: Tvorba tyčinkovitých nanoštruktúr ZnO (šírka 86 nm, dĺžka 1182 nm) so zmiešanou fázou ZnO/Zn(OH)2.
• pH 7,5–8,0: Prechod na fazetované tyčinky a tyčinky s miskovitými koncami (dĺžka ~250–430 nm, šírka 135–280 nm).
• pH 9,0: Vretenovité nanoštruktúry ZnO (dĺžka ~256 nm, šírka 95 nm) s vysokou mikrodeformáciou.
• pH 10,0: Rovnomerné fazetované nanotyčinky (dĺžka ~407 nm, šírka 278 nm) so zníženou hustotou defektov.

Snímky zo SEM ultrazvukovo syntetizovaných nanoštruktúr ZnO vypestovaných pri (a) pH 7, (b) pH 7,5, (c) pH 8, d) pH 9,
a (e) pH 10 reakčnej zmesi.
(Štúdia a snímky: ©Flores-Morales et al., 2013)

Röntgenová difrakcia (XRD) potvrdila prítomnosť ZnO s hexagonálnou wurtzitovou štruktúrou pri pH > 7, pričom pri vyšších hodnotách pH sa zvýšila kryštalinita a zintenzívnil rast zŕn.

Optické vlastnosti a riadenie defektov

Analýza fotoluminiscencie (PL) pri izbovej teplote poukázala na dve hlavné emisné pásma:

• Ultrafialová emisia (~380 nm): Excitónové prechody v blízkosti hrany zakázaného pásma.
• Viditeľná emisia (~580 nm): Súvisí so štruktúrnymi defektmi, ako sú kyslíkové vakancie a intersticiálne defekty.

Zvyšovanie pH viedlo k vyššej intenzite emisie súvisiacej s defektmi až do pH 9, čo sa pripisuje zväčšeniu plochy povrchu a nárastu nedokonalostí mriežky. Pri pH 10 však intenzita emisie súvisiacej s defektmi klesla v dôsledku zníženia počtu povrchových a mriežkových defektov.

„Nanoštruktúry ZnO s rôznymi morfológiami bolo možné pripraviť ultrazvukovou hydrolýzou octanu zinočnatého vo vodnom roztoku riadením rýchlosti jeho hydrolýzy prostredníctvom úpravy pH. Zatiaľ čo pri pH roztoku 7 alebo nižšom vznikajú nečisté nanoštruktúry ZnO zmiešané s fázou Zn(OH)2, pri vyšších hodnotách pH reakčnej zmesi vznikajú nanoštruktúry ZnO v čistej hexagonálnej fáze. Riadením pH roztoku v rozmedzí od 7,5 do 10 bolo možné vytvárať fázovo čisté nanoštruktúry ZnO s rôznou morfológiou a riadiť koncentráciu ich štruktúrnych a povrchových defektov. Preukázalo sa účinné využitie ultrazvuku s nízkym výkonom na chemickú syntézu nanoštruktúr ZnO.“
Flores-Morales et al., 2013

Táto štúdia ilustruje zásadný vplyv ultrazvukového ožarovania pomocou UP400St na syntézu nanoštruktúr ZnO. Úpravou pH výskumníci úspešne menili morfológiu, kryštalinitu a hustotu defektov. Zistenia zdôrazňujú potenciál sonochemických metód na syntézu nanočastíc s vlastnosťami prispôsobenými konkrétnym požiadavkám a otvárajú možnosti využitia v optoelektronike a katalýze.

Získajte najlepší sonikátor na syntézu vašich nanočastíc

Sondové sonikátory Hielscher sú známe svojím výkonom, spoľahlivosťou, presnosťou a používateľskou prívetivosťou, vďaka čomu sú ideálnou voľbou na syntézu nanočastíc. Vďaka špičkovej technológii a robustnej konštrukcii ponúkajú tieto ultrazvukové procesory bezkonkurenčnú kontrolu nad sonochemickými reakciami a zabezpečujú reprodukovateľnosť a účinnosť. Napríklad UP400St poskytuje presný prívod energie a prispôsobiteľné nastavenia, čo výskumníkom umožňuje upraviť podmienky syntézy tak, aby dosiahli optimálnu morfológiu a kryštalinitu nanočastíc. Či už ide o výskum v laboratórnom meradle alebo priemyselné aplikácie, sonikátory Hielscher zaručujú vysoký výkon a jednoduché používanie, čím upevňujú svoje renomé ako špičková voľba pre sonochemickú syntézu.
Využite silu ultrazvuku na syntézu nanočastíc!
 

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe najvyššími štandardmi kvality a konštrukčného vyhotovenia. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové prístroje Hielscher ľahko zvládajú drsné podmienky a náročné prostredia.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a používateľskou prívetivosťou. Samozrejme, ultrazvukové prístroje Hielscher sú v súlade s požiadavkami CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov: