بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، فرایند تخلیه الکتریکی پین-به-محلول با یک پین فلزی - در اینجا مس - متصل به کاتد و محلول آبی نیترات نقره - با غلظت 0/3 مولار - در هوای متعارف مورد مطالعه تجربی قرار می گیرد. آزمایش نشان می دهد که به محض آغاز تخلیه الکتریکی پودر سیاه رنگی در محل تماس پلاسما با محلول تولید می شود و به تدریج سراسر محلول را فرا می گیرد. تصاویر FESEM گرفته شده نشان می دهند که این پودر متشکل از ذراتی با ابعاد کمتر از 50 نانومتر و نیز ذراتی با اندازه 300-600 نانومتر می باشد. از آنالیز XRD چنین استنباط می شود که ماده ساخته شده شامل Ag2O2، Ag2O و Ag2CO3 است که با نتایج آنالیز عنصری EDS نیز توافق دارد. طیف جذبی UV-Vis هم مؤید این مطلب است که محصول به دست آمده شامل نانو ترکیب سه تایی مذکور می باشد.
مقدمه
معمولاً برای تولید پلاسما از روش تخلیه الکتریکی با الکترودهای فلزی استفاده می شود، بدین صورت که اختلاف پتانسیل بالایی به دو الکترود فلزی اعمال می گردد به حدی که باعث شکست الکتریکی گاز بین آنها شده و پلاسمای مطلوب را ایجاد کند. جایگزینی الکترودهای فلزی - یکی یا هر دو - با سیال های رسانا - مانند محلول الکترولیتی - از موضوعات سابقه دار در حوزه پلاسما می باشد. پلاسمای ایجاد شده در چنین تخلیه هایی به طور مستقیم با محلول در ارتباط است و می تواند برهمکنش الکتریکی - به واسطه عبور جریان - و شیمیایی - از طریق الکترون ها، یون ها و رادیکال ها - با آن داشته باشد.
مطالعه این برهمکنش ها و اینکه چه اتفاق های فیزیکی و شیمیایی در سطح مشترک پلاسما-محلول رخ می دهد از اهمیت بالایی برخوردار بودهو اخیراً به یک زمینه پژوهشی بسیار مستعد با کاربردهای بالقوه به خصوص در حوزه نانوفناوری تبدیل شده است .[1] چیدمان های بسیار متنوعی برای ایجاد تخلیه الکتریکی با الکترود مایع می توان طراحی کرد که یکی از آنها پیکربندی پین- به-محلول در فشار جو می باشد .[2] در این پیکربندی، یک پین فلزی سوزنی - توخالی یا توپر - به عنوان یکی از الکترودهای تخلیه الکتریکی لحاظ می گردد و یک محلول آبی نقش الکترود دیگر را بازی می کند. پژوهشگران زیادی با استفاده از این چیدمان ساده موفق به ساخت نانوموادی مانند نانونقره، نانوطلا، نانوآلیاژهای فلزی و نانو اکسیدهای فلزی مانند Fe3O4 شده اند.
[5-3] هوانگ و گروهش با یک پین کاتدی سوزنی توخالی از جنس فولاد که حامل گاز هلیوم در فشار جو بود، توانستند نانوذرات نقره از محلول نیترات نقره به دست آورند .[4] ونگ و همکارانش نیز در روشی مشابه ولی با کاتد مسی حامل گاز آرگون و یک لوله U شکل توانستند نانونقره سنتز کنند .[5] در مقاله حاضر از پیکربندی پین-به-محلول با یک پین میخی - توپر - از جنس مس و محلول آبی نیترات نقره در هوای معمولی استفاده می گردد و نشان داده می شود که محصول این فرایند شامل اکسید نقره Ag2O2 - و - Ag2O و نیز کربنات نقره - Ag2CO3 - می باشد. مقاله به این صورت تنظیم شده است که ابتدا چیدمان تجربی تخلیه الکتریکی پین-به-محلول مورد اشاره قرار می گیرد و سپس به ذکر نتایج و بررسی آنها پرداخته می شود. نتیجه گیری نیز در بخش آخر انجام می گیرد.
تخلیه الکتریکی پین-به-محلول
برای انجام آزمایش تخلیه الکتریکی پین-به-محلول چیدمان شماتیک نشان داده شده در شکل -1راست لحاظ می گردد. از یک سیم مسی نوک تیز به ضخامت 2 mm به عنوان پین فلزی استفاده می شود. این پین به یکی از خروجی های یک منبع تغذیه متناوب ولتاژ بالا متصل می گردد. خروجی دیگر نیز به یک ورقه نقره ای وصل می شود. برای اینکه الکترودها دارای قطبش معلوم و ثابتی باشند یک دیود ولتاژ بالا در سر راه پین مسی به نحوی قرار می گیرد که در آن قطبش کاتدی ایجاد کند.
سپس محلول آبی نیترات نقره با غلظت 0/3 M تهیه شده و در یک بشر ریخته می شود. آند نقره ای در داخل محلول و پین مسی نیز خارج از آن و به فاصله 1 mm از سطح قرار می گیرد. برای ایجاد تخلیه ولتاژ منبع به تدریج افزایش داده می شود. در ولتاژ 1/5 kV تخلیه الکتریکی پایداری با جریان 5 mA برقرار می گردد و پلاسمای هوا که در تماس با محلول است شکل می گیرد. شکل :1 طرح واره چیدمان تخلیه الکتریکی پین-به-محلول، شکل راست، و تصویری از چیدمان تجربی در حال تولید ماده سیاه رنگ، شکل چپ. به محض شروع تخلیه الکتریکی و تشکیل پلاسما، پودر سیاهی در محل تماس پلاسما-محلول تشکیل می شود و به مرور تمام محلول را فرا می گیرد، شکل -1چپ. آزمایش بعد از دو ساعت متوقف می گردد و پودر سیاه توسط دستگاه سانتریفیوژ مورد جداسازی قرار می گیرد.
نتایج آنالیزها و بررسی آنها
الگوی XRD گرفته شده از پودر مذکور در شکل 3 نشان داده شده است. شکل :3 الگوی XRD مربوط به پودر سیاه رنگ سنتز شده. مقایسه این الگو با استانداردهای موجود در کتابخانه نرم افزار X'Pert HighScore نشان می دهد که بسیاری از قله های آن با الگوی پراش Ag2O2 - کد - 00-051-0945 همخوانی کامل دارد. با اینحال، قله های تیز و واضح در 38/3o و33/7 o ،2 = 33/1o جزء این الگو نمی باشند. مقایسه با الگوی سایر ترکیبات محتمل نقره نشان می دهد که زاویه 33/1o به Ag2O با شماره کارت 00-001-1041 و زاویه 33/7o نیز به Ag2CO3 با شماره کارت 01-070-2184 تعلق دارد و پراش 38/3o هم در هر دو مشترک است.
سایر قله های پراشی این دو ماده یا بر قله های Ag2O2 منطبق هستند و یا آنقدر ضعیف هستند که ظاهر نشده اند. الگوی XRD به وضوح نشان می دهد که بخش عمده ای از ماده سنتز شده Ag2O2 بوده و ترکیبات Ag2O و Ag2CO3 - که فقط چند قله مرتفع آنها در شکل 3 ظاهر شده اند - در صد کمی از محصول را تشکیل می دهند. مقایسه کیفی شدت قله ها بیان می دارد که حدود 60 درصد پودر سنتز شده Ag2O2، 30 درصد Ag2O و 10 درصد آن Ag2CO3 می باشد. برای اطمینان بیشتر از صحت شناسایی، پودر سیاه مورد آنالیز عنصری EDS قرار گرفت. در جدول 1 عناصر یافت شده در محصول آورده شده است.
این آنالیز وجود اکسیژن و کربن در نمونه را تأیید می کند و می تواند دلیلی بر درستی شناسایی های انجام شده باشد. البته باید توجه داشت که با چنین آنالیز نوعی EDS نمی توان به درستی درصد دقیق مواد Ag2O2، Ag2O و Ag2CO3 را مشخص کرد و درصدهای اتمی گزارش شده در جدول 1صرفاً معیاری برای وجود عناصر در محصول و کم و زیادی آنها است. از این جدول فهمیده می شود که مقدار کربن در نمونه کم است که تأیید دیگری بر کم بودن درصد Ag2CO3 در محصول نهایی می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر، از پودر سنتز شده تصویر FESEM گرفته شد. در شکل 4 این تصویر قابل مشاهده است.
تصویر FESEM از پودر سیاه رنگ.
در این تصویر دو دسته کلی از ذرات قابل تمیز می باشند: ذراتی با ابعاد زیر 50 نانومتر و قطعات بزرگی با ابعاد بیشتر از 300 نانومتر. مطابق شکل مشخص است که حجم بیشتر ماده را همین قطعات بلوری درشت تر تشکیل می دهند و ذرات کوچک تر از 50 نانومتر بر روی آنها و یا بین آنها تشکیل شده اند. از آنجایی که طبق آنالیز XRD و EDS ماده اصلی سنتز شده Ag2O2 است به نظر می رسد که قطعات بزرگ متعلق به Ag2O2 بوده و ذرات ریز نیز Ag2O و Ag2CO3 باشند. این استنباط با مراجعی که در آن رشد قطعات زیر میکرومتری از Ag2O2 و ذرات نانومتری از Ag2O و Ag2CO3 گزارش شده است همخوانی دارد .[6-9] طیف جذبی UV-Vis گرفته شده از پودر سیاه - قبل از جداسازی آن از محلول - در شکل 5 نشان داده شده است.
