微波合成条件对氢氧化镍纳米片结构的影响

摘要

氢氧化镍纳米片是通过微波辅助水热反应合成的。该协议表明，用于微波合成的反应温度和时间会影响反应产率、晶体结构和局部配位环境。

摘要

提出了一种在弱酸性条件下快速微波辅助水热合成氢氧化镍纳米片的方案，并研究了反应温度和时间对材料结构的影响。所有研究的反应条件都产生层状α-Ni（OH）₂ 纳米片的聚集体。反应温度和时间对材料结构和产物收率有很大影响。在较高温度下合成α-Ni（OH）₂ 可提高反应产率，降低层间间距，增加晶畴尺寸，改变层间阴离子振动模式的频率，并降低孔径。较长的反应时间可提高反应产率，并产生相似的晶域大小。 原位 监测反应压力表明，在较高的反应温度下获得更高的压力。这种微波辅助合成路线提供了一种快速、高通量、可扩展的工艺，可应用于各种过渡金属氢氧化物的合成和生产，用于多种能量存储、催化、传感器和其他应用。

引言

氢氧化镍 Ni（OH）₂ 用于多种应用，包括镍锌和镍氢电池^{1、2、3、4}、燃料电池⁴、水电解槽^4、5^{、6、7、8、9}、超级电容器⁴、光催化剂⁴、阴离子交换剂¹⁰，以及许多其他分析、电化学和传感器应用 ^4,5。Ni（OH）₂ 具有两种主要晶体结构：β-Ni（OH）₂ 和 α-Ni（OH）₂

研究方案

注：微波合成过程的示意图如 图1所示。

1. α-Ni（OH）₂ 纳米片的微波合成

1. 前体溶液的制备
   1. 通过混合 15 mL 超纯水 （≥18 MΩ-cm） 和 105 mL 乙二醇来制备前体溶液。加入 5.0 克 Ni（NO₃）₂ ·6 H₂O和4.1 g尿素溶液并盖上盖子。
   2. 将前体溶液置于充满冰和水的浴超声仪（40kHz频率）中，并以全功率（无脉冲）超声处理30分钟。
2. 前驱体溶液的微波反应
   1. 将 20 mL 前体溶液转移到带有聚四氟乙烯 （PTFE） 搅拌棒的微波反应瓶中，并用带有 PTFE 衬里的锁定盖密封反应容器。
   2. 使用设置对微波反应器进行编程，使其尽可能快地加热到反应温度（至120或180°C），并在该温度下保持13-30分钟。
      注意： 尽可能快的加热是一种微波设置，可施加最大微波功率，直到达到所需温度;此后施加可变功率以保持反应温度。
   3. 反应完成后，用压缩空气排出反应室，直到溶液温度达到55°C。 反应的每个阶段（加热、保持和冷却）在 600 rpm 的磁力搅拌下进行。
3. 离心洗涤微波反应沉....

讨论

微波合成提供了一种生成Ni（OH）₂的途径，与传统的水热方法（典型反应时间为4.5小时）相比，该途径明显更快（13-30分钟的反应时间）³⁸。使用这种弱酸性微波合成途径生产超薄α-Ni（OH）₂纳米片，观察到反应时间和温度会影响反应的pH值、产率、形貌、孔隙率和所得材料的结构。使用原位反应压力表，在两个120°C反应期间都会发生非常少量的压力积聚，?.......

材料

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