Журнал неорганической химии. T. 68, Номер 12, 2023

  1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал неорганической химии
  4. T. 68, № 12, 2023

Журнал неорганической химии, 2023, T. 68, № 12, стр. 1849-1859

Синтез двумерных наноструктур NiO при комбинации программируемого химического осаждения и гидротермальной обработки

Т. Л. Симоненко a, *, Д. А. Дудорова a, Н. П. Симоненко a, Е. П. Симоненко a, Н. Т. Кузнецов a

a Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
119991 Москва, Ленинский пр-т, 31, Россия

* E-mail: egorova.offver@gmail.com

Поступила в редакцию 26.07.2023
После доработки 23.08.2023
Принята к публикации 28.08.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

Изучен процесс синтеза двумерных наноструктур NiO при комбинации программируемого химического осаждения и гидротермальной обработки формируемых полупродуктов в среде дистиллированной воды и водного раствора гидрата аммиака. С помощью синхронного термического анализа была определена зависимость термической устойчивости и сорбционной способности частиц полупродуктов от условий их гидротермальной обработки, а также при изменении состава дисперсионной среды. Результаты ИК-спектроскопии и рентгенофазового анализа позволили определить особенности кристаллической структуры и набор функциональных групп для полупродуктов и формируемых на их основе нанопорошков NiO. Так, в зависимости от условий гидротермальной обработки средний размер областей когерентного рассеяния получаемых порошков оксида никеля варьируется от 4.0 ± 0.5 до 8.6 ± 0.8 нм. С помощью растровой и просвечивающей электронной микроскопии было показано, что в зависимости от условий синтеза можно контролировать процесс рекристаллизации наночастиц NiO с образованием двумерных наноструктур различной формы и необходимого размера – от нанолистов хаотичной геометрии до плоских гексагонов с варьируемым диаметром. Благодаря анизотропной микроструктуре получаемых наноматериалов они могут быть эффективно использованы при изготовлении функциональных компонентов современных устройств альтернативной энергетики (электродов суперконденсаторов, твердооксидных топливных элементов и др.), в том числе с применением печатных технологий.

Ключевые слова: программируемое химическое осаждение, гидротермальный синтез, иерархические структуры, нанолисты, оксид никеля, электрод, суперконденсатотр, топливный элемент

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы наблюдается активное развитие систем генерации альтернативной энергии, а также устройств ее накопления и хранения, что обусловлено стремлением к снижению выбросов парниковых газов, а также развитием технологий энергоэффективной децентрализованной энергетики [1, 2 ] . Улучшение и оптимизация рабочих характеристик химических источников требует не только создания новых электродных материалов [3, 4], но и разработку синтетических подходов [5, 6] к достижению целевых микроструктурных характеристик формируемых наноматериалов. Так, оксид никеля, характеризующийся высокой электрохимической и каталитической активностью, химической и термической стабильностью, а также коммерческой доступностью является классическим компонентом электродов суперконденсаторов [7, 8], литий-ионных [9, 10] и никель-металлогидридных аккумуляторов [11, 12], а также твердооксидных топливных элементов [13, 14]. Физико-химические свойства материалов на основе NiO можно в значительной степени изменять путем контроля их микроструктуры (в первую очередь размера и формы частиц), а также степени ее упорядоченности при получении анизотропных, в том числе иерархически организованных структур [15]. На сегодняшний день известны различные типы микроструктур оксида никеля (полые нано- [16] и микросферы [17], нанотрубки [18, 19], нанокубы [20, 21], октаэдры [22, 23], нанопроволоки [24, 25], наностержни [26, 27] и т.д.), однако особый интерес исследователей привлекают двумерные наноструктуры (нанолисты, нанопластинки), которые, согласно данным работ [28–30], характеризуются большим количеством активных центров поверхности, высокой электропроводностью, а также структурной стабильностью, что особенно важно в процессе заряда–разряда аккумуляторов и суперконденсаторов. Среди различных подходов к формированию 2D-наноструктур на основе оксида никеля (золь-гель технология [31], электрохимическое осаждение [32], физическое [33] и плазменно-химическое [34, 35] осаждение из газовой фазы) можно выделить гидротермальный метод [36–38], позволяющий задавать форму и дисперсность частиц, а также степень упорядоченности кристаллической структуры получаемых материалов при варьировании параметров синтеза (типа растворителя, осадителя, температуры, давления и длительности процесса термообработки, а также концентрации реагентов). Ранее на примере оксидов переходных металлов сложного со структурой шпинели нами была показана эффективность проведения гидротермальной обработки дисперсных систем, полученных с помощью программируемого химического осаждения гидроксидов металлов, что дает возможность управлять процессом зародышеобразования частиц твердой фазы на первом этапе синтеза [39, 40].

Цель работы – изучение процесса синтеза анизотропных наноструктур на основе оксида никеля с помощью программируемого химического осаждения, а также установление зависимостей между условиями дополнительной гидротермальной обработки и микроструктурными характеристиками формируемых материалов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Синтез оксида никеля в виде нанопорошков был проведен методом программируемого химического осаждения гидроксидов металлов с последующей гидротермальной обработкой полученных дисперсных фаз. На первом этапе были приготовлены водные растворы (с = 0.1 моль/л) хлорида никеля (NiCl2·6H2O), к которым с помощью автоматического высокоточного потенциометрического титратора АТП-02 при комнатной температуре и постоянном перемешивании (800 об./мин) добавляли 5% раствор гидрата аммиака согласно заданной программе: скорость дозирования – 1 мл/мин; объем капли – 0.05 мл; целевой рН реакционной системы – 8.5. Согласно данной схеме было проведено 7 экспериментов. Один из образцов (образец сравнения) после осаждения промывали дистиллированной водой и сушили при 100°С в течение 3 ч. Остальные 6 образцов после отделения и промывки дистиллированной водой путем, диспергировали в воде или в NH3⋅H2O (с рН 8.5) и подвергали гидротермальной обработке при температурах 100, 150 и 200°С в течение 1 и 6 ч (табл. 1). После этого частицы твердой фазы отделяли от дисперсионных сред и промывали дистиллированной водой путем циклического центрифугирования, сушили 3 ч при 100°С. Далее с целью разложения промежуточных продуктов и формирования целевого оксида никеля проводили дополнительную термообработку порошков при температуре 400°С в течение 1 ч.

Таблица 1.  

Условия гидротермальной обработки образцов и средний размер ОКР полученных порошков NiO

№ образца Температура, °С Длительность, ч Дисперсионная среда Средний размер ОКР, нм
1 – – H2O 4.0 ± 0.5
2 100 6 H2O 7.2 ± 0.7
3 100 6 NH3⋅H2O 6.8 ± 0.7
4 150 1 H2O 6.6 ± 0.7
5 150 1 NH3⋅H2O 7.1 ± 0.7
6 150 6 H2O 8.6 ± 0.8
7 200 6 H2O 8.5 ± 0.8

Термическое поведение сформированных в результате синтеза полупродуктов изучали с помощью синхронного термического анализа (ТГА/ДСК) в интервале температур 25–1000°С (скорость нагрева 10 град/мин) в потоке воздуха (250 мл/мин) с использованием термоанализатор SDT Q-600.

Определение набора функциональных групп в составе материалов проводилось методом ИК-Фурье-спектроскопии на спектрометре ИнфраЛЮМ ФТ-08. Непосредственно перед записью спектров были приготовлены суспензии на основе полученных образцов в вазелиновом масле, которые далее в виде пленок помещались между двумя стеклами из бромида калия. Время накопления сигнала в процессе регистрации спектров пропускания в интервале 350–4000 см–1 составило 15 с, а разрешение – 1 см–1.

Исследование кристаллической структуры образцов было выполнено с помощью рентгенофазового анализа (РФА) в диапазоне углов 2θ 5°–80° на дифрактометре Bruker D8 Advance с CuKα-излучением (λ = 1.5418 Å, Ni-фильтр, E = 40 кэВ, I = 40 мА) и разрешением 0.02°, время накопления сигнала в точке 0.3 с.

Особенности микроструктуры полученных порошков после дополнительной термообработки (400°С, 1 ч) были изучены с помощью растровой (РЭМ; Carl Zeiss NVision-40) и просвечивающей (ПЭМ; Jeol Jem-1011 с цифровой фотокамерой Orius Sc1000w) электронной микроскопии.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

С использованием синхронного термического анализа было изучено термическое поведение полученных полупродуктов в диапазоне от 25 до 1000°С (рис. 1). Как видно из термограмм, порошки по характеру их термической трансформации имеют некоторые сходства. В частности, для всех материалов, прошедших дополнительную гидротермальную обработку (образцы 2–7), наблюдается 4 ступени потери массы в следующих интервалах температуры: 25–250, 250–300, 300–750 и 750–1000°С. Образец 1, который не подвергался обработке в гидротермальных условиях, характеризуется теми же ступенями потери массы, но с некоторым смещением температурных диапазонов: 25–250, 250–350, 350–650 и 650–1000°С. На первой ступени для всех образцов масса уменьшается в связи с удалением сорбированных атмосферных газов и молекул воды, а также остаточного растворителя, что сопровождается малоинтенсивными эндотермическими эффектами. Второй этап характеризуется резкой потерей массы в узком интервале температур при совмещении экзо- и эндотермического эффектов (при доминировании второго), связанных с разложением полупродукта и кристаллизацией оксида никеля. На третьей ступени потеря массы существенно замедляется (скорость процесса является сопоставимой для всех образцов) и связана с продолжением процесса разложения полупродукта, который интенсифицируется на последнем этапе термического анализа. По особенностям термического поведения (в первую очередь по величине Δm на первой ступени) исследуемые материалы можно разделить на 4 группы в порядке уменьшения величины потери массы на первой ступени: образец 1, образцы 3 и 5, образцы 2 и 4, образцы 6 и 7. Образец 1, как было отмечено выше, существенно отличается от остальных – в частности, он характеризуется наибольшим значением Δm на первой (5.6%) и последней ступени (4.5%). На второй ступени, напротив, для данного образца потеря массы является наименьшей (14.5%), а положение минимума соответствующего теплового эффекта при наиболее высокой температуре (321°С). В целом для данного порошка суммарная потеря массы во всем исследуемом интервале температур является максимальной и составляет 27.9%. Для образцов 3 и 5 термическое поведение во всем интервале температур является практически идентичным (суммарная потеря массы составляет 24.4 и 24.5%, соответственно; положение минимума эндоэффекта смещается от 297 до 295°С), хотя образцы подвергались гидротермальной обработке в среде водного раствора гидрата аммиака (pH 8.5) при значительно различающихся температурах (100 и 150°С соответственно). Вероятно, в данном случае различия в температурном воздействии были полностью компенсированы изменением длительности процесса (образец 3 – 6 ч, образец 5 – 1 ч). Таким образом, установлено, что достичь идентичного термического поведения полупродукта можно при варьировании температуры и длительности процесса гидротермальной обработки. Подобная картина наблюдается в случае образцов 2 и 4 – по сравнению с предыдущей группой лишь уменьшается потеря массы на первой ступени и, соответственно, суммарная потеря массы (в обоих случаях Δm = 22.9%). В данном случае условия гидротермальной обработки являются теми же, но изменяется состав дисперсионной среды (с водного раствора гидрата аммиака на дистиллированную воду). Следует отметить, что по сравнению с предыдущей группой образцов имеет место смещение минимума эндотермического эффекта на второй ступени массы до 300 (образец 2) и 298°С (образец 4). Так, термообработка частиц твердой фазы полупродукта в среде дистиллированной воды приводит к снижению количества сорбированных на поверхности получаемого в ходе последующей сушки материала атмосферных газов и остаточного растворителя. Данная тенденция, связанная с дальнейшим уменьшением величины потери массы на первой ступени нагревания полупродукта, сохраняется для следующей группы образцов (6 и 7). При этом, несмотря на существенные различия в температуре гидротермальной обработки соответствующих дисперсных систем (образец 6 – 150°С; образец 7 – 200°С) в дистиллированной воде, значения потери массы на первой ступени (около 1.1%) и во всем исследуемом температурном интервале (21.3 и 21.2% соответственно) являются очень близкими, что свидетельствует о достижении некоторого предела в данном аспекте (минимизация величины Δm на первой ступени нагрева полупродукта за счет ужесточения условий гидротермальной обработки твердой фазы). В данном случае минимум эндоэффектов на второй стадии нагрева образцов 6 и 7 продолжил смещаться в высокотемпературную область (до 303 и 304°С соответственно). Как было отмечено выше, для образца 2 положение минимума данного теплового эффекта находилось при 300°С, т.е. соответствующий эндоэффект смещается в область более высоких температур при увеличении температуры гидротермальной обработки полупродукта при сохранении длительности процесса (6 ч). Кроме того, для всех рассмотренных групп образцов на кривых ТГА наблюдается некоторое расширение третьей ступени потери массы в сторону более высоких температур, что может свидетельствовать о повышении стойкости порошков к разложению в связи с ужесточением условий гидротермальной обработки. Указанная тенденция, предположительно, связана с увеличением размера частиц полупродукта. Таким образом, результаты синхронного термического анализа свидетельствуют о повышении термической устойчивости и снижении сорбционной способности частиц полупродукта при ужесточении условий его гидротермальной обработки, а также при изменении состава дисперсионной среды с водного раствора гидрата аммиака на дистиллированную воду. В связи с тем, что при нагревании порошка полупродукта основная потеря массы завершается около 300–350°С, с целью его разложения и кристаллизации оксида никеля при сохранении высокодисперсного состояния продукта был выбран следующий режим дополнительной термообработки материала на воздухе: 400°С в течение 1 ч.

Рис. 1.

Кривые ТГА (а) и ДСК (б) для полупродуктов, полученных после гидротермальной обработки и сушки.

Набор функциональных групп в составе полученных полупродуктов был изучен с помощью ИК-спектроскопии. Как видно из соответствующих спектров (рис. 2), все порошки обладают подобным набором полос поглощения, характеристичных для β-Ni(OH)2. В частности, интенсивная полоса поглощения с максимумом при 3642 см–1 относится к валентным колебаниям υ(O–H), а полосы с максимумами около 526 и 465 см–1 связаны с колебаниями υ(Ni–OH) и υ(Ni–O), соответственно [41]. Слабая полоса при 3576 см–1 связана с растяжением связи O–H в гидроксиде никеля [42]. Для образцов 1–5 наблюдается также полоса поглощения при 1645 см–1, что свидетельствует о наличии деформационных колебаний δ(O–H) [43]. Как видно, для образцов 6 и 7, которые подвергались гидротермальной обработке в наиболее жестких условиях, данная полоса поглощения является существенно менее интенсивной. Это касается и широкой полосы поглощения в области 3000–3600 см–1, относящейся к валентным колебаниям OH-группы адсорбированных молекул воды [44], что хорошо согласуется с результатами термического анализа порошков. Так, интенсивность указанной полосы поглощения растет с увеличением суммарной величины потери массы при нагревании полупродуктов. Следует отметить, что на ИК-спектре образца 1, в отличие от остальных полупродуктов, присутствуют полосы поглощения с максимумами около 934, 1047 и 1135 см–1, которые могут относиться к колебаниям кислотных остатков, интеркалированных в межслоевое пространство материала, а также наблюдается полоса поглощения гидроксогрупп с максимумом около 598 см–1. Подобный набор полос поглощения может свидетельствовать о наличии в составе полупродукта компонента со слоистой структурой, характерной для α-Ni(OH)2 [45]. Полоса поглощения в интервале 2770–3030 см–1, а также полосы с максимумами около 1460, 1375 и 718 см–1 относятся к сигналам от используемого в качестве дисперсионной среды вазелинового масла. Термообработка полупродуктов при 400°С в течение 1 ч приводит к существенному изменению ИК-спектра материала (в качестве примера приведен спектр образца 6, являющийся типичным). Так, появляется интенсивная полоса поглощения с максимумом около 410 см–1, относящаяся к валентным колебаниям группы Ni–O и характеристичная для оксида никеля [46]. Тем не менее, на спектрах порошков NiO сохраняется ряд менее интенсивных полос поглощения, связанных с колебаниями гидроксогрупп, что свидетельствует о недостаточно полном разложении полупродуктов в указанных условиях.

Рис. 2.

ИК-спектры полупродуктов и порошка NiO (спектр 6*), полученного в ходе дополнительной термообработки (400°С, 1 ч).

С помощью рентгенофазового анализа была изучена зависимость кристаллической структуры полупродуктов от условий синтеза (рис. 3а). Рефлексы на рентгенограммах около 19.3°, 33.2°, 38.7°, 52.2°, 59.2°, 62.8°, 70.5° и 72.9°, которые могут быть отнесены к кристаллографическим плоскостям (001), (100), (101), (102), (110), (111), (103) и (201), во всех случаях указывают на формирование гексагонального β-Ni(OH)2 (JCPDS #14-0117) [47]. Как в случае термического анализа и ИК-спектроскопии, исследуемые полупродукты можно разделить на те же 4 группы, расположенные в порядке увеличения относительной интенсивности и уменьшения ширины рефлекса (001), что согласуется с уменьшением суммарной потери массы (по данным термического анализа) и уменьшением интенсивности полосы поглощения относящейся к валентным колебаниям OH-группы адсорбированных молекул воды (по данным ИК-спектроскопии): образец 1, образцы 3 и 5, образцы 2 и 4, образцы 6 и 7. При этом необходимо отметить, что для образца 1, который не подвергался дополнительной гидротермальной обработке, помимо сигналов, относящихся к структуре β-Ni(OH)2 наблюдается малоинтенсивный рефлекс при 2θ°11.3°, что свидетельствует о наличии в составе данного полупродукта в качестве дополнительного компонента α-Ni(OH)2 (JCPDS #38-0715), характеризующегося слоистой кристаллической структурой [48]. Полученные результаты для образца 1 хорошо согласуются с приведенными выше данными ИК-спектроскопии, позволяющими судить об интеркаляции кислотных остатков в межслоевое пространство гидроксида никеля в α-модификации, сопутствующего основному компоненту полученного в соответствующих условиях полупродукта (β-Ni(OH)2). Таким образом, ужесточение условий гидротермальной обработки и изменение состава дисперсионной среды с водного раствора гидрата аммиака на дистиллированную воду приводит к интенсификации процесса упорядочивания кристаллической структуры β-модификации гидроксида никеля. Из рентгенограмм порошков после их термообработки при 400°С видно (рис. 3б), что полупродукты полностью разложились, а новый набор рефлексов для всех образцов соответствует кубической кристаллической структуре NiO (JCPDS #78-0643, пр. гр. Fm$\bar {3}$m) [46, 49]. Из различного уширения рефлексов также следует, что условия предварительной гидротермальной обработки полупродуктов существенно влияют на размер кристаллитов, формируемых в результате их дополнительной термообработки порошков оксида никеля. Так, в результате оценки среднего размера областей когерентного рассеяния (ОКР) материалов с помощью формулы Дебая–Шеррера [46] было определено, что для образца 1, который не подвергался предварительной гидротермальной обработке, данный параметр имеет значение 4.0 ± ± 0.5 нм (табл. 1). Обработка полупродуктов в гидротермальных условиях в зависимости от условий процесса приводит к увеличению среднего размера ОКР в той или иной степени. В частности, обработка полупродуктов в используемых дисперсионных средах при 100°С в течение 6 ч (образцы 2 и 3) или при 150°С в течение 1 ч (образцы 4 и 5) приводит к увеличению среднего размера кристаллитов NiO на 65–80% (до 6.6–7.2 нм). Увеличение длительности процесса гидротермальной обработки частиц гидроксида никеля в среде дистиллированной воды при 150°С с 1 до 6 ч (образец 6) приводит к дальнейшему росту среднего размера ОКР более чем в 2 раза (до 8.6 ± 0.8 нм), а дополнительное повышение температуры до 200°С при сохранении остальных условий процесса (образец 7) уже не сопровождается увеличением данного параметра (имеется даже уменьшение в пределах погрешности измерений – до 8.5 ± 0.8 нм), что может свидетельствовать о некоторой стабилизации размера кристаллитов β-Ni(OH)2 в гидротермальных условиях при 150°С в течение 6 ч. Таким образом, с помощью рентгенофазового анализа было показано, что методом программируемого химического осаждения в качестве полупродукта образуется β-Ni(OH)2, содержащий примесь α-Ni(OH)2, в межслоевое пространство которого интеркалируются кислотные остатки. Дополнительная гидротермальная обработка данного полупродукта приводит к формированию однофазного гидроксида никеля в β-модификации, степень упорядоченности кристаллической структуры которого зависит от условий гидротермальной обработки, которые также влияют и на дисперсность формируемого в результате его дополнительной термообработки при 400°С нанопорошка NiO.

Рис. 3.

Рентгенограммы полупродуктов (а) и соответствующих им порошков NiO (б).

Микроструктура порошков NiO была изучена с помощью растровой электронной микроскопии (рис. 4). Как видно из микрофотографий, образцы различаются по размеру и форме частиц в зависимости от условий их получения. Так, образец 1 преимущественно состоит из хаотично распределенных между собой нанолистов неопределенной формы размером в латеральной плоскости 25–70 нм. Для образцов 2–5, которые дополнительно подвергали гидротермальной обработке в различных дисперсионных средах при 100°С (в течение 6 ч) и 150°С (1 ч), наблюдается более явное формирование оксидных нанолистов, некоторое увеличение их размеров в плоскости (до 30–100 нм), а для образцов 2 и 5 на некоторых участках наблюдается самоорганизация в соответствующие слоистые агломераты. Кроме того, для образца 5 можно заметить тенденцию к формированию более ограненного контура двумерных структур, которая становится более явной при изучении микроструктуры образцов 6 и 7. Так, для указанных двух образцов наблюдается стремление частиц к формированию плоских гексагонов с более ровными ребрами, а также имеет место увеличение их размеров в латеральной плоскости (100–200 нм для образца 6; 130–300 нм для образца 7). Для образца 7 также наблюдается самоорганизация формируемых нанопластин в слоистые агломераты. Из микрофотографий всех исследуемых порошков видно, что они обладают однородной микроструктурой и не содержат каких-либо примесей, отличающихся по своей морфологии.

Рис. 4.

Микроструктура полученных нанопорошков NiO (по данным РЭМ).

Более подробно микроструктура формируемых оксидных наноструктур была изучена с помощью просвечивающей электронной микроскопии (рис. 5). Полученные результаты свидетельствуют о постепенном упорядочивании частиц NiO при ужесточении условий гидротермальной обработки полупродуктов. Так, для образца 1 подтверждается хаотичный характер микроструктуры – стремящиеся к двумерной структуре агломераты сложной формы размером до 70 нм состоят из первичных частиц, которые имеют размер около 3.5 нм, что хорошо согласуется с рассчитанным средним размером ОКР (4.0 ± 0.5 нм). Для образцов 2–5, предшественники которых подвергались гидротермальной обработке умеренной интенсивности, хорошо заметна частичная трансформация агломератов в нанолисты толщиной около 3 нм. При этом в соответствующих условиях формируются двумерные наноструктуры различной формы в латеральной плоскости, хотя в некоторых случаях (например, для образцов 4 и 5) наблюдается тенденция к образованию ровных граней (рис. 5г, 5д). Для образцов 6 и 7 в связи с более жесткими условиями гидротермальной обработки соответствующих полупродуктов микроструктура существенно отличается – форма основного количества наноструктур близка к гексагональным пластинам диаметром около 150 (образец 6) и 200 нм (образец 7). При этом можно заметить, что указанные нанопластины являются пористыми и состоят из первичных частиц размером около 5 нм. Таким образом, показано, что при варьировании условий дополнительной гидротермальной обработки получаемого методом программируемого химического осаждения гидроксида никеля можно контролировать процесс рекристаллизации наночастиц NiO с образованием двумерных наноструктур различной формы и необходимого размера – от нанолистов хаотичной геометрии до плоских гексагонов с варьируемым диаметром.

Рис. 5.

Микроструктура полученных нанопорошков NiO (по данным ПЭМ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследования изучен процесс синтеза двумерных наноструктур NiO при комбинации программируемого химического осаждения и гидротермальной обработки формируемых полупродуктов в среде дистиллированной воды и водного раствора гидрата аммиака. По результатам синхронного термического анализа наблюдается повышение термической устойчивости и снижение сорбционной способности частиц полупродуктов при ужесточении условий их гидротермальной обработки, а также при изменении состава дисперсионной среды с водного раствора гидрата аммиака на дистиллированную воду. С помощью ИК-спектроскопии и рентгенофазового анализа было установлено, что в результате химического осаждения формируется β-Ni(OH)2 с примесью слоистого α-Ni(OH)2, в межслоевое пространство которого интеркалированы кислотные остатки. Дополнительная гидротермальная обработка полупродуктов приводит к образованию однофазного β-Ni(OH)2, а ужесточение условий гидротермальной обработки и изменение состава дисперсионной среды с водного раствора гидрата аммиака на дистиллированную воду приводит к интенсификации процесса упорядочивания кристаллической структуры β-модификации гидроксида никеля. Установлено, что термообработка полупродуктов на воздухе при 400°С в течение 1 ч приводит к образованию нанокристаллических порошков NiO. Так, для образца, который не подвергался предварительной гидротермальной обработке, средний размер ОКР составил 4.0 ± 0.5 нм, а дополнительная гидротермальная обработка полупродукта в зависимости от условий процесса приводит к росту данного параметра до 8.6 ± 0.8 нм. С помощью растровой и просвечивающей электронной микроскопии было показано, что при варьировании условий дополнительной гидротермальной обработки получаемого методом программируемого химического осаждения гидроксида никеля можно контролировать процесс рекристаллизации наночастиц NiO с образованием двумерных наноструктур различной формы и необходимого размера – от нанолистов хаотичной геометрии до плоских гексагонов с варьируемым диаметром. Таким образом, показано, что предложенная комбинация метода программируемого химического осаждения с последующей гидротермальной обработкой формируемой твердой фазы позволяет тонко управлять микроструктурными характеристиками образующихся наночастиц, их дисперсностью, термической устойчивостью, сорбционной способностью и кристаллической структурой. Благодаря анизотропной микроструктуре получаемых наноматериалов они могут быть эффективно использованы при изготовлении функциональных компонентов современных устройств альтернативной энергетики (электродов суперконденсаторов, твердооксидных топливных элементов и др.), в том числе с применением печатных технологий.

Список литературы

  1. Yaqoot M., Diwan P., Kandpal T.C. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2016. V. 58. P. 477. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.12.224

  2. Beccarello M., Di Foggia G. // Energies. 2023. V. 16. № 3. P. 1345. https://doi.org/10.3390/en16031345

  3. Gerard O., Numan A., Krishnan S. et al. // J. Energy Storage. 2022. V. 50. P. 104283. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104283

  4. Sun Y., Chong W.G. // Mater. Horizons. 2023. V. 10. № 7. P. 2373. https://doi.org/10.1039/D3MH00045A

  5. Nehate S.D., Sundaresh S., Saikumar A.K. et al. // ECS J. Solid State Sci. Technol. 2022. V. 11. № 6. P. 063015. https://doi.org/10.1149/2162-8777/ac774b

  6. Yu F., Huang T., Zhang P. et al. // Energy Storage Mater. 2019. V. 22. P. 235. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.07.023

  7. Ramkumar R., Dhakal G., Shim J.-J. et al. // Nanomaterials. 2022. V. 12. № 21. P. 3813. https://doi.org/10.3390/nano12213813

  8. Yu M., Wang W., Li C. et al. // NPG Asia Mater. 2014. V. 6. № 9. P. E129. https://doi.org/10.1038/am.2014.78

  9. Ortiz M.G., Visintin A., Real S.G. // J. Electroanal. Chem. 2021. V. 883. P. 114875. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2020.114875

  10. Khalil A., Lalia B.S., Hashaikeh R. // J. Mater. Sci. 2016. V. 51. № 14. P. 6624. https://doi.org/10.1007/s10853-016-9946-z

  11. Arya S., Verma S. // Nickel-Metal Hydride (Ni-MH) Batteries. Wiley, 2020. P. 131. https://doi.org/10.1002/9781119714774.ch8

  12. Mozaffari S.A., Mahmoudi Najafi S.H., Norouzi Z. // Electrochim. Acta. 2021. V. 368. P. 137633. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2020.137633

  13. Singh M., Zappa D., Comini E. // Mater. Adv. 2022. V. 3. № 14. P. 5922. https://doi.org/10.1039/D2MA00317A

  14. Mohd Abd Fatah A.F., Rosli A.Z., Mohamad A.A. et al. // Energies. 2022. V. 15. № 14. P. 5188. https://doi.org/10.3390/en15145188

  15. Bonomo M. // J. Nanoparticle Res. 2018. V. 20. № 8. P. 222. https://doi.org/10.1007/s11051-018-4327-y

  16. Nie C., Zeng W., Jing X. et al. // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2018. V. 29. № 9. P. 7480. https://doi.org/10.1007/s10854-018-8739-3

  17. Qi X., Zheng W., Li X. et al. // Sci. Rep. 2016. V. 6. № 1. P. 33241. https://doi.org/10.1038/srep33241

  18. Yan X., Tong X., Wang J. et al. // Mater. Lett. 2014. V. 136. P. 74. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.07.183

  19. Pang H., Lu Q., Li Y. et al. // Chem. Commun. 2009. № 48. P. 7542. https://doi.org/10.1039/b914898a

  20. Sun W., Xiao L., Wu X. // J. Alloys Compd. 2019. V. 772. P. 465. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.185

  21. Hou G., Du Y., Cheng B. et al. // ACS Appl. Nano Mater. 2018. V. 1. № 11. P. 5981. https://doi.org/10.1021/acsanm.8b01398

  22. Tong G., Hu Q., Wu W. et al. // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. № 34. P. 17494. https://doi.org/10.1039/c2jm31790g

  23. Yang Z.K., Song L.X., Xu R.R. et al. // CrystEngComm. 2014. V. 16. № 38. P. 9083. https://doi.org/10.1039/C4CE00998C

  24. Liu C., Li C., Ahmed K. et al. // Sci. Rep. 2016. V. 6. № 1. P. 29183. https://doi.org/10.1038/srep29183

  25. Pang H., Lu Q., Zhang Y. et al. // Nanoscale. 2010. V. 2. № 6. P. 920. https://doi.org/10.1039/c0nr00027b

  26. Kavitha T., Yuvaraj H. // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. № 39. P. 15686. https://doi.org/10.1039/c1jm13278d

  27. Bhosale M.A., Bhanage B.M. // Adv. Powder Technol. 2015. V. 26. № 2. P. 422. https://doi.org/10.1016/j.apt.2014.11.015

  28. Zhu Y., Cao C., Tao S. et al. // Sci. Rep. 2014. V. 4. № 1. P. 5787. https://doi.org/10.1038/srep05787

  29. Nakate U.T., Lee G.H., Ahmad R. et al. // Ceram. Int. 2018. V. 44. № 13. P. 15721. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.246

  30. Taşköprü T., Zor M., Turan E. // Mater. Res. Bull. 2015. V. 70. P. 633. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2015.05.032

  31. Bose P., Ghosh S., Basak S. et al. // J. Asian Ceram. Soc. 2016. V. 4. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jascer.2016.01.006

  32. Wu J., Yin W.-J., Liu W.-W. et al. // J. Mater. Chem. A. 2016. V. 4. № 28. P. 10940. https://doi.org/10.1039/C6TA03137D

  33. Kumar V.M., Polaki S.R., Krishnan R. et al. // J. Alloys Compd. 2023. V. 931. P. 167420. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167420

  34. Tu R., Leng K., Song C. et al. // RSC Adv. 2023. V. 13. № 28. P. 19585. https://doi.org/10.1039/D3RA02544F

  35. Lin J., Jia H., Liang H. et al. // Adv. Sci. 2018. V. 5. № 3. P. 1700687. https://doi.org/10.1002/advs.201700687

  36. Lin L., Liu T., Miao B. et al. // Mater. Lett. 2013. V. 102–103. P. 43. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2013.03.103

  37. Xiao H., Yao S., Liu H. et al. // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 2016. V. 26. № 3. P. 271. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2016.05.007

  38. Simonenko T.L., Bocharova V.A., Gorobtsov P.Y. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. № 9. P. 1292. https://doi.org/10.1134/S0036023620090193

  39. Simonenko T.L., Bocharova V.A., Simonenko N.P. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 11. P. 1633. https://doi.org/10.1134/S0036023621110176

  40. Simonenko T.L., Bocharova V.A., Simonenko N.P. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 12. P. 1779. https://doi.org/10.1134/S0036023621120160

  41. Real S.G., Ortiz M.G., Castro E.B. // J. Solid State Electrochem. 2017. V. 21. № 1. P. 233. https://doi.org/10.1007/s10008-016-3355-8

  42. Veseem M., Umar A.H. // Met. Oxide Nanostructures Their Appl. 2010. P. 1.

  43. Simonenko T.L., Simonenko N.P., Mokrushin A.S. et al. // Chemosensors. 2023. V. 11. № 2. P. 138. https://doi.org/10.3390/chemosensors11020138

  44. Begum S., Muralidharan V., Ahmedbasha C. // Int. J. Hydrogen Energy. 2009. V. 34. № 3. P. 1548. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.11.074

  45. Abitkar S.B., Dhas S.D., Jadhav N.P. et al. // J. Mater. Sci. Mater. Electron. 2021. V. 32. № 7. P. 8657. https://doi.org/10.1007/s10854-021-05529-x

  46. Dudorova D.A., Simonenko T.L., Simonenko N.P. et al. // Molecules 2023. V. 28. № 6. P. 2515. https://doi.org/10.3390/molecules28062515

  47. He W., Li X., An S. et al. // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 10838. https://doi.org/10.1038/s41598-019-47120-9

  48. Zhang J.T., Liu S., Pan G.L. et al. // J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. № 5. P. 1524. https://doi.org/10.1039/C3TA13578K

  49. Mokrushin A.S., Simonenko T.L., Simonenko N.P. et al. // Appl. Surf. Sci. 2022. V. 578. P. 151984. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.151984

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал неорганической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал