原文
,卷:15(3)氧化锌和氢化氧化锌催化剂的绿色合成
- *通信:
- 约书亚·L·康内,里弗斯州立大学化学系,理学院,Nkpolu-Oroworukwo,哈科特港,尼日利亚,电话:234-81-3677-3590;电子邮件: (电子邮件保护)
收到:2017年10月30日;接受:2017年11月30日;发表:2017年12月8日
引用:Onubun JD, Konne JL, Cookey GA。氧化锌和氢化氧化锌催化剂的绿色合成。中国机械工程学报,2017;15(3):122
摘要
本文报道了以硝酸锌、芭蕉皮灰水提物(用于ZnO-PT控制实验)和氢气(用于氢化氧化锌,ZnO-PTH)为催化剂的新型绿色合成氧化锌催化剂。采用XRD、SEM、EDS、UV和FT-IR对样品进行了表征。两种样品的XRD图谱均为ZnO的特征反射,ZnO- pth背景更宽。ZnO-PT和ZnO-PTH的粒径分别为50.67和52.93 nm。ZnO-PH的SEM形貌为多孔的棒状和矩形多晶板,而ZnO-PTH的形貌主要为双相(灰色和云状斑块),孔隙较大。EDS分析表明ZnO-PT和Zn - pth两相Zn含量分别约为50%和56%。ZnO-PT纳米颗粒在乙醇中的紫外-可见光谱在310nm、330nm和360nm处也有不同的强吸收波段,而ZnO-PTH仅在紫外光区320 nm处有强吸收波段,在可见光区580 nm和620nm处有强吸收波段。同样,FT-IR显示,由于氢化反应引起配体-金属电荷转移(LMCT),相应ZnO-PTH带的波数(蓝移)减少。结果证实了Zn1-xO (ZnO-PT)和ZnO1-x (ZnO-PTH)相的形成。
关键字
ZnO-PT;ZnO-PTH;Plantain-peel-ash;水提物;绿色合成和氢化氧化锌
简介
氧化锌(ZnO)是一种白色粉状无机化合物,几乎不溶于水。广泛应用于陶瓷、玻璃、水泥、塑料、橡胶(如汽车轮胎)、润滑油、油漆、油膏、胶粘剂、密封剂、颜料、食品(锌营养来源)、阻燃剂、电池、铁氧体等材料和产品的添加剂。此外,ZnO也是(II-VI)半导体具有较高的激子结合能。即使在室温下,它也允许激子跃迁,这为光电和激光发射提供了应用[1,2].这是由于其在室温下的带隙为3.37 eV和激发结合能源紫外线区为60兆电子伏。因此,ZnO纳米颗粒是有效的紫外线吸收剂[3.].在结构上,ZnO结晶为纤锌矿结构,缺乏对称中心。这种特性与大型机电耦合相结合,导致了强大的压电和热释电性能,因此在机械执行器和压电中使用ZnO传感器[2].
因此,氧化锌是一种重要的材料半导体材料由于这些物理化学性质,如电、机械、光学、磁和化学传感性质[4].自然地,氧化锌存在于一种叫做锌矿的矿物中。然而,根据其应用需求,它经常被合成使用。在纳米尺度上,ZnO纳米结构因其大的表面积和高的催化活性而被证明具有催化性能。因此,不同的合成技术可以增强这些性能。因此,氧化锌纳米颗粒的合成方法多种多样,如共沉淀法[5]、化学蒸气合成[6]、固相反应法[7],溅射[8]和溶胶凝胶法[9,10]已经被开发出来。然而,这些方法大多使用无机氢氧根(如NaOH)作为前驱体进行合成,这是昂贵的和有毒的。
到目前为止,在文献中没有关于使用天然提取物的信息浪费以硝酸锌为碱性源合成氧化锌的原料。钾已被确定为芭蕉皮中最丰富的元素,估计值为37克公斤−1在绿色的果皮上[11,12].在成熟过程中,该值略有增加。然而,大蕉皮在尼日尔三角洲的生活垃圾中占很大比例,是该地区的主要食物之一[13].
最近,以木薯淀粉为凝胶剂,溶胶-凝胶法合成的氧化锌纳米颗粒加氢反应已被报道[10].结果表明,氢化氧化锌(ZnO:H)相为富锌(ZnO:H)相1 - x).本报告将研究氧化锌(ZnO-PT)和氢化氧化锌(ZnO-PTH)的合成,这两个相都是用灰芭蕉皮(废料)的水提取物作为氢氧根(碱性)来源。这项新颖的研究将增强浪费为大蕉皮创造财富。
材料与方法
ZnO-PT和ZnO-PTH的制备
水车前草皮灰溶液:从25个未成熟的车前草中取出新鲜车前草皮,洗净,切成小块,在80°C下烤箱干燥。然后,110克果皮在马弗炉中在600℃下粉碎5小时,冷却至室温。所得灰分为18.40 g(16.73%)。将其溶解在200毫升蒸馏水中并过滤。用0.1 M H溶液滴定法测定滤液浓度为0.3 M碱性溶液2所以4以甲基橙为指示剂。将滤液加热,然后与200毫升0.15 M的六水合硝酸锌溶液反应3.)2.6H2O在500毫升烧杯中形成白色的氢氧化锌沉淀物。温滤液的使用只是为了保证快速反应。即使用冷滤液也会发生反应。搅拌混合物,让其在重力作用下沉淀一夜。将上清液滗出,沉淀物在80℃下干燥过夜,以确保Zn(OH)的完全转化2)转化为ZnO(标记ZnO- pt)。
氢化氧化锌(ZnO- pth)的合成
ZnO-PTH是由ZnO-PT与氢气(由一些镁带在50ml 6m HCl水溶液中反应产生)反应生成的。反应采用Konne和Christopher的改良文献法进行。该改进是使用一个弯曲的布氏烧瓶来代替弯曲的锥形烧瓶。Buchner烧瓶允许释放的氢气直接进入含有ZnO-PT的玻璃管,而不使用输送或连接玻璃管。在反应过程中,将ZnO-PT在55°C轻度加热3分钟。随着富锌相(ZnO-PTH)的出现,ZnO-PT纳米颗粒的颜色由白色变为浅棕色。
描述
利用x射线衍射仪、GBC增强微型材料分析仪对样品的结构性能进行了分析。样品被研磨成粉末,装载在单独的硅片上,并插入样品盒进行XRD分析。2θ角度范围为5°C-90°C,步长为0.02。预计氧化锌的特征峰出现在这些角度内。利用Scherrer公式(式1)估算样品的平均晶粒尺寸(S)。
(1)
其中k为形状因子~ 0.94,β为半最大值处的全宽,λ, Cu阳极k α1波长,θ为布拉格衍射角。需要注意的是,XRD结果是作为图像文件从样品分析中心接收的,因此不可能用excel软件重新绘图。然而,由于国内设备故障导致重复分析中断,以往文献中关于ZnO:H的报道仅用于与新结果的峰值比较[10].
扫描电子显微镜(SEM)配备了一个能源采用色散x射线能谱仪(EDS)分别表征了样品的表面形貌和元素成分。扫描电镜样品是用少量未研磨的样品粘在碳粘性垫上制备的。这些样品被放置在有标签的铝存根上,拧到样品架上,插入扫描电镜模型ASPEX 3020配备牛津EDS检测器进行分析。
同样,将用于UV-Vis分析的样品分散在乙醇中,并在2500 LaboMed分光光度计上以乙醇为空白,在300 nm至800 nm之间扫描。FT-IR样品用KBr研磨后制成球团,在PerkinElmer Spectrum 10.4.3红外分光光度计上分析。在读出计算机上分析之前,每个圆盘被放置在一个位于波长范围为350 nm-4000 nm的红外辐射路径上的样品夹中。
结果与讨论
x射线衍射分析
ZnO-PT和ZnO-PTH样品的x射线衍射图如图所示图1 (a)和1 (b)分别。两种样品的XRD峰均为ZnO的特征反射,其中ZnO- pth的杂质峰较小(未知/未标记)。ZnO特征峰模式以(101)反射最为强烈的三重态开始。但与文献报道的粉末衍射标准联合委员会(JCPDS)卡号00-005-0664的XRD数据相比,这两个样品的Cu Kα1和2θ值都发生了横向转移[10,14,15].峰值位置的巨大差异可能是由于校准或仪器问题,而不是掺杂。ZnO-PT和ZnO-PTH的粒径分别为50.67 nm和52.78 nm。同样,这些结果与ZnO-PTH (图1 (b)).ZnO-PT和ZnO-PTH (图1 (a))表明,除了zno -甲状旁腺素的新相导致的一个小峰外,样品基本是相纯的。先前的研究表明,在(110)峰位置附近出现了一个由于H插入而产生的新峰,与标记的ZnO:H小峰相匹配,如图所示图1 (b)[10].结果还表明,ZnO-PTH的XRD谱图背景比ZnO-PT的更嘈杂,这可能是由于氢化相的存在,但需要进一步研究。SEM和FT-IR结果证实了这一论断。
形态学研究
的SEM显微形貌显示了ZnO-PT和ZnO-PTH的表面形貌图2 (a)而且图2 (b)分别。前者表现为较大的板状花多晶,后者表现为较小的棒状板状花多晶。这两种结构似乎比相同样本的图像更紧凑(图2 (c)和2 (d)),分别用于EDS分析。ZnO-PT样品图像(图2 (c)),显示出单相样品的均匀表面,而ZnO-PTH明显是双相的,有浑浊的氢化相斑块。ZnO- pth多晶在形态上与文献中Ag掺杂ZnO相似,呈近似球形[14].Zn - pt和Zn - pth样品的Zn含量分别为50.88%和55.70% (图2 (c)而且图2 (d)分别)。这将在今后的工作中得到其他技术的证实。在以前的工作中也报道了类似的观察结果[10].Zn - pth中较高的Zn含量可能是由于氢气的存在导致的缺氧,而Zn - pt几乎为1:1。ZnO以两相形式存在1 - x和锌1 - xO取决于合成过程中主要的氧条件,被称为天然缺陷[16].
紫外可见光谱
ZnO-PT纳米颗粒在乙醇中扫描300 ~ 800 nm时,在紫外区310 nm、330 nm和360 nm处有不同的强吸收带,而ZnO-PTH在紫外-Vis区仅在320 nm处有一个弱吸收带,在可见光区580 nm和620 nm处有两个弱吸收带。这在图3.ZnO-PT在不同波长下的激发带分别对应于3.97 ev、3.75 ev和3.43 ev的光学带隙。氢化氧化锌(ZnO-PTH)在紫外可见区320 nm处的激子吸收峰较弱,对应的光学带隙为3.86 ev。然而,ZnO- pth的紫外-可见吸收模式与在淀粉溶液中生长的氢化氧化锌(ZnO:H)不同,在310 nm处,ZnO和ZnO:H的吸收模式分别相反[10].这可能与较高的锌含量(ZnO1 - x相)与之前研究报告的ZnO:H的Zn含量较低有关,但需要进一步研究。310处配体-金属电荷转移(LMCT)带的高吸光度支持了H取代氧空位与Zn在氢化相中形成四倍配位,而锌空位被两个H原子取代[10].因此,氧化锌中来自氢的额外电子会导致更多的LMCT1 - x比锌1 - xO相,分别导致前者的吸收率较高。
傅立叶变换红外光谱分析
ZnO-PT和ZnO-PTH在4000 cm内的FT-IR光谱-1-400厘米-1显示在图4而他们的标签带被列在表1.结果显示,某些特征条带(360 cm)的条带略低-1-1510厘米-1),这是由于zn - pth与zn - pt相比有h插入。来自h原子的额外电子可能导致ZnO-PTH带的蓝移。在1766厘米处还观察到宽频带-1-2106厘米-1ZnO-PTH中的氢氧拉伸和变形与ZnO-PT中吸收的水蒸气(表1)加氢后较弱。这种轻微的结晶度变化可能是ZnO-PTH在XRD上观察到的广泛背景的原因,也是ZnO-PTH在SEM上的双相形貌的原因,这与文献报道的类似材料的FT-IR光谱是一致的[10].金属氧化物的吸收带一般在1000厘米以下的指纹区-1它来自原子间的振动。
ZnO-PT | ZnO-PTh |
---|---|
362 | 361 |
467 | 378 |
713 | 463 |
833 | 713 |
949 | 833 |
1410 | 949 |
1377 | 1041 |
1462 | 1376 |
1507 | 1461 |
1462 | 1501 |
1766 | 2854 |
2106 | 2923 |
2854 | 3306 |
2923 |
表1。采用Kbr球团制备样品,分别对ZnO-PT和ZnO-PTH进行了红外光谱分析。
在(833厘米处观察到的峰-1-362厘米-1),分别对应ZnO- pt和ZnO- pth的拉伸振动和变形振动。其他山峰海拔2850厘米-12923厘米-1均归因于C-H拉伸振动,3242 cm-1身高3306厘米-1在1410厘米之间的条带是否与一些羟基的存在有关-11507厘米-1分别分配给C=O [14].氧化锌能吸收水分和CO2来自大气的分子,因此存在这样的带。光谱(图4)也表明,与ZnO-PTH光谱相比,ZnO-PT光谱在增加波段后更增强。
结论
本文以大蕉皮灰水溶液为原料,用六水合硝酸锌成功合成了氧化锌。采用XRD、SEM、EDS、UV和IR等手段对ZnO纳米颗粒进行了氢化表征。两种样品的XRD图谱均为ZnO的特征反射,ZnO- pth的特征峰为ZnO:H。ZnO-PT和ZnO-PTH的粒径分别为50.67和52.93 nm。ZnO-PH的SEM形貌为多孔的单相棒状多晶板和矩形多晶板,而ZnO-PTH的形貌主要为双相,孔隙较大。EDS分析表明,Zn - pt和Zn - pth两相的Zn含量分别约为50%和56%,建议进一步研究确认。ZnO-PT纳米颗粒在乙醇中的紫外-可见光谱在310nm、330nm和360nm处也有不同的强吸收波段,而ZnO-PTH仅在紫外光区320 nm处有强吸收波段,在可见光区580 nm和620nm处有强吸收波段。同样,由于氢化作用,相应ZnO-PTH波段的波数(蓝移)减少。结果表明,以车前草皮提取物为碱性替代物,成功合成了氧化锌和富锌-甲状旁腺氢氧化物。
相互竞争的利益
作者声明,这篇文章的发表不存在利益竞争。
确认
作者感谢Rivers州立大学的D. Bekee先生的UV-visible分析,Ondo州立Akure工程开发研究所(EMDI)纳米技术和先进材料中心的Collins Ofiwe先生的SEM, EDS和XRD分析,以及伊巴丹大学的Uwabueze Charles先生的FT-IR分析。
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