Name: Microwave-Assisted Synthesis of &#945;-Ni(OH)2 Nanosheets
Uploaded: 2023-08-18T14:20:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Microwave-Assisted Synthesis of α-NiOH2 Nanosheets at JoVE.com

microwave-assisted synthesis of &#945;-ni(oh)2 nanosheets

تخليق وتوصيف الميكروويف للصفائح النانوية لهيدروكسيد النيكل

Nickel hydroxide, Ni(OH)2, is used for numerous applications including nickel-zinc and nickel-metal hydride batteries1,2,3,4, fuel cells4, water electrolyzers4,5,6,7,8,9, supercapacitors4, photocatalysts4, anion exchangers10, and many other analytical, electrochemical, and sensor applications4,5. Ni(OH)2 has two predominant crystal structures: &#946;-Ni(OH)2 and &#945;-Ni(OH)211. &#946;-Ni(OH)2 adopts a brucite-type Mg(OH)2 crystal structure, while &#945;-Ni(OH)2 is a turbostratically layered form of &#946;-Ni(OH)2 intercalated with residual anions and water molecules from the chemical synthesis4. Within &#945;-Ni(OH)2, the intercalated molecules are not within fixed crystallographic positions but have a degree of orientational freedom, and also function as an interlayer glue stabilizing the Ni(OH)2 layers4,12. The interlayer anions of &#945;-Ni(OH)2 affect the average Ni oxidation state13 and influence the electrochemical performance of &#945;-Ni(OH)2 (relative to &#946;-Ni(OH)2) toward battery2,13,14,15, capacitor16, and water-electrolysis applications17,18.
Ni(OH)2 can be synthesized by chemical precipitation, electrochemical precipitation, sol-gel synthesis, or hydrothermal/solvothermal synthesis4. Chemical precipitation and hydrothermal synthesis routes are widely utilized in the production of Ni(OH)2, and different synthetic conditions alter the morphology, crystal structure, and electrochemical performance. The chemical precipitation of Ni(OH)2 involves adding a highly basic solution to an aqueous nickel (II) salt solution. The phase and crystallinity of the precipitate are determined by the temperature and&#160;identities&#160;and concentrations of the nickel (II) salt and&#160;basic solution used4.
Hydrothermal synthesis of Ni(OH)2 involves heating an aqueous solution of precursor nickel (II) salt in a pressurized reaction vial, allowing the reaction to proceed at higher temperatures than ordinarily allowed under ambient pressure4. Hydrothermal reaction conditions typically favor &#946;-Ni(OH)2, but &#945;-Ni(OH)2 can be synthesized by (i) using an intercalation agent, (ii) using a non-aqueous solution (solvothermal synthesis), (iii) lowering the reaction temperature, or (iv) including urea in the reaction, resulting in ammonia-intercalated &#945;-Ni(OH)24. The hydrothermal synthesis of Ni(OH)2 from nickel salts occurs via a two-step process that involves a hydrolysis reaction (equation 1) followed by an olation condensation reaction (equation 2).19
[Ni(H2O)N]2+ + hH2O &#8596; [Ni(OH)h(H2O) N-h](2-h)++ hH3O+ (1)
Ni-OH + Ni-OH2 Ni-OH-Ni + H2O (2)
Microwave chemistry has been used for the one-pot synthesis of a wide variety of nanostructured materials and is based on the ability of a specific molecule or material to convert microwave energy into heat20. In conventional hydrothermal reactions, the reaction is initiated by the direct absorption of heat through the reactor. In contrast, within microwave-assisted hydrothermal reactions, the heating mechanisms are dipolar polarization of the solvent oscillating in a microwave field and ionic conduction generating localized molecular friction20. Microwave chemistry can increase the reaction kinetics, selectivity, and yield of chemical reactions20, making it of significant interest for a scalable, industrially viable method to synthesize Ni(OH)2.
For alkaline battery cathodes, the &#945;-Ni(OH)2 phase provides improved electrochemical capacity compared with the &#946;-Ni(OH)2 phase13, and synthetic methods to synthesize &#945;-Ni(OH)2 are of particular interest. &#945;-Ni(OH)2 has been synthesized by a variety of microwave-assisted methods, which include microwave-assisted reflux21,22, microwave-assisted hydrothermal techniques23,24, and microwave-assisted base-catalyzed precipitation25. The inclusion of urea within the reaction solution significantly influences the reaction yield26, mechanism26,27, morphology, and crystal structure27. The microwave-assisted decomposition of urea was determined to be a critical component for obtaining &#945;-Ni(OH)227. Water content in an ethylene glycol-water solution has been shown to impact the morphology of microwave-assisted synthesis of &#945;-Ni(OH)2 nanosheets24. The reaction yield of &#945;-Ni(OH)2, when synthesized by a microwave-assisted hydrothermal route using an aqueous nickel nitrate and urea solution, was found to depend on the solution pH26. A prior study of microwave synthesized &#945;-Ni(OH)2 nanoflowers using a precursor solution of EtOH/H2O, nickel nitrate, and urea found that temperature (in the range of 80-120 &#176;C) was not a critical factor, provided the reaction is conducted above the urea hydrolysis temperature (60 &#176;C)27. A recent paper that studied the microwave synthesis of Ni(OH)2 using a precursor solution of nickel acetate tetrahydrate, urea, and water found that at a temperature of 150 &#176;C, the material contained both &#945;-Ni(OH)2 and &#946;-Ni(OH)2 phases, which indicates that temperature can be a critical parameter in the synthesis of Ni(OH)228.
Microwave-assisted hydrothermal synthesis can be used to produce high-surface area &#945;-Ni(OH)2 and &#945;-Co(OH)2 by using a precursor solution composed of metal nitrates and urea dissolved in an ethylene glycol/H2O solution12,29,30,31. Metal-substituted &#945;-Ni(OH)2 cathode materials for alkaline Ni-Zn batteries were synthesized using a scaled-up synthesis designed for a large-format microwave reactor12. Microwave-synthesized &#945;-Ni(OH)2 was also used as a precursor for obtaining &#946;-Ni(OH)2 nanosheets12, nickel-iridium nanoframes for oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts29, and bifunctional oxygen electrocatalysts for fuel cells and water electrolyzers30. This microwave reaction route has also been modified to synthesize Co(OH)2 as a precursor for cobalt-iridium nanoframes for acidic OER electrocatalysts31 and bifunctional electrocatalysts30. Microwave-assisted synthesis was also used to produce Fe-substituted &#945;-Ni(OH)2 nanosheets, and the Fe substitution ratio alters the structure and magnetization32. However, a step-by-step procedure for microwave synthesis of &#945;-Ni(OH)2 and the evaluation of how varying reaction time and temperature within a water-ethylene glycol solution affects the crystalline structure, surface area, and porosity, and local environment of interlayer anions within the material&#160;has not been previously reported.
This protocol establishes procedures for high-throughput microwave synthesis of &#945;-Ni(OH)2 nanosheets using a rapid and scalable technique. The effect of reaction temperature and time were varied and evaluated using in situ reaction monitoring, scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, nitrogen porosimetry, powder X-ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared spectroscopy to understand the effects of synthetic variables on reaction yield, morphology, crystal structure, pore size, and local coordination environment of &#945;-Ni(OH)2 nanosheets.

تسليط الضوء على المؤلف: تخليق حراري مائي سريع بمساعدة الميكروويف لصفائح هيدروكسيد النيكل النانوية 

تأثير ظروف تخليق الميكروويف على بنية صفائح هيدروكسيد النيكل النانوية

Watch this Scientific Journal Video about Microwave-Assisted Synthesis of α-NiOH2 Nanosheets at JoVE.com

Microwave-Assisted Synthesis of &#945;-Ni(OH)2 Nanosheets  

التوليف بمساعدة الميكروويف لصفائح نانوية α-Ni (OH) 2

ابدأ في تحضير محلول السلائف عن طريق خلط 105 مل من جلايكول الإيثيلين و 15 ملليلتر من الماء عالي النقاء. ثم أضف 4.1 جرام من البول وأضف 5.0 جرام من سداسي هيدرات نترات النيكل ، وقم بتغطية المحلول. قم بتقطيع محلول السلائف لمدة 30 دقيقة في جهاز صوتي مملوء بالثلج والماء بتردد 40 كيلو هرتز وطاقة كاملة بدون نبض.انقل 20 ملليلترا من محلول السلائف الصوتية إلى قنينة تفاعل الميكروويف المزودة بقضيب تحريك PTFE. أغلق وعاء التفاعل باستخدام غطاء قفل مع بطانة PTFE. ضع القارورة داخل مفاعل الميكروويف واضبط برنامج المفاعل على أسرع ما يمكن ، والذي يطبق أقصى طاقة حتى يتم تحقيق درجة الحرارة المطلوبة.بعد ذلك ، قم بتطبيق طاقة متغيرة للحفاظ على درجة حرارة التفاعل لمدة 13 إلى 30 دقيقة. عند الانتهاء من التفاعل ، قم بتنفيس غرفة التفاعل بالهواء المضغوط حتى تصل درجة حرارة المحلول إلى 55 درجة مئوية. نقل حل ما بعد التفاعل إلى أنابيب الطرد المركزي 50 ملليلتر.أجهزة الطرد المركزي الأنابيب في درجة حرارة الغرفة لمدة أربع دقائق ، وصب الطاف. أعد تعليق صفائح هيدروكسيد النيكل النانوية الناتجة في 25 ملليلترا من الماء عالي النقاء وأجهزة الطرد المركزي مرة أخرى كما هو موضح سابقا. بعد صب المادة الطافية ، قم بتغطية أنابيب الطرد المركزي بمنديل أو منشفة ورقية تعمل كغطاء مسامي لتقليل التلوث المحتمل.أخيرا ، جفف صفائح النانو في جو محيطي في فرن عينة على حرارة 70 درجة مئوية لمدة 21 ساعة. عند 120 درجة مئوية ، كان أقصى ضغط تفاعل متولد من تسعة إلى 11.5 رطلا لكل بوصة مربعة أو PSI. بينما عند 180 درجة مئوية ، ارتفعت إلى 138 رطل لكل بوصة مربعة.أدت زيادة درجة حرارة التفاعل من 120 إلى 180 درجة مئوية أيضا إلى تغيير لون الطافي بعد التفاعل من الأخضر إلى الأزرق. في C2 ، أظهرت صور التفاعل عند 180 درجة مئوية لونا أخضر غامضا عند انتهاء التفاعل ، لكنه تغير إلى اللون الأزرق الداكن مع تبريد التفاعل. بعد الطرد المركزي والغسيل والتجفيف ، أنتجت جميع التفاعلات ، بغض النظر عن الوقت ودرجة الحرارة ، مسحوقا أخضر.كان الرقم الهيدروجيني للطاف في تفاعل 180 درجة سلزية أعلى بكثير بالنسبة إلى طاف التفاعل 120 درجة سلزية. كما سجل تفاعل 180 درجة سلزية عائدا أعلى بكثير من التفاعلات عند 120 درجة سلزية.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Microwave-Assisted Synthesis of &#945;-Ni(OH)2 Nanosheets

Effect of Microwave Synthesis Conditions on the Structure of Nickel Hydroxide Nanosheets

A protocol for rapid, microwave-assisted hydrothermal synthesis of nickel hydroxide nanosheets under mildly acidic conditions is presented, and the effect ...