بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نانوذرات اکسیدنیکل با استفاده از روش الکتروکریستالیزاسیون ساخته شده و اثر دمای پخت بر ساختار، اندازه و شکل آنها مورد مطالعه قرار گرفت. ماهیت ساختاری نانوذرات تولید شده با استفاده از دستگاه پراش اشعه ایکس - XRD - بررسی شد. نتایج این بررسی نشان داد ذرات در دمای کمتر از 400 oC دارای ساختار بلوری هیدروکسید نیکل میباشند که با افزایش دما به ساختار اکسیدنیکل تبدیل میشود. شکل و اندازه میانگین نانوذرات تولید شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مورد مطالعه قرار گرفت. تصاویر SEM نشان میدهد که ذرات دارای شکل کروی و اندازه میانگین آنها در حدود 50 نانومتر است.
مقدمه
غیرآلی فلزی به کار گرفته میشود. برای تولید نانوذرات خالص اکسیدنیکل یک نیمرسانای نوع P با گستره گاف انرژی از 3/6 تا اکسیدنیکل روش ساخت و عوامل فیزیکی و شیمیایی موثر در 4/0 الکترون ولت است که به خاطر ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی روش مورد نظر حائز اهمیت است .[1] و پتانسیل کاربردی آن در زمینههای مختلف به عنوان یک ماده مهم اکسید نیکل به خاطر ویژگیهای منحصر به فرد الکتریکی، اپتیکی و مغناطیسی یک موضوع جذاب برای مطالعه محققان به شمار میرود.
از جمله کاربردهای این ماده میتوان به استفاده در باتریهای لیتیوم-یونی قابل شارژ، سلولهای خورشیدی، آندهای ترکیبی برای سلولهای سوختی، مواد پادفرومغناطیس [2]، و در سالهای اخیر در کاتالیستها، سنسورهای گاز، فیلمهای الکتروکرومیک و مواد ترموالکتریک [3] اشاره کرد. روشهای ساخت متفاوتی برای تولید نانوذرات اکسیدنیکل وجود دارد که از میان آنها میتوان روش سل-ژل [1] ، حلالی- حرارتی [2]، رسوبدهی شیمیایی [3] را برشمرد.
در تحقیق حاضر روش به کار رفته در ساخت نانوذرات اکسید نیکل بر اساس الکتروکریستالیزاسیون ورق نیکل در یک محلول آبی-آلی مبتنی میباشد. از جمله مزیتهای این روش نسبت به سایر روشها میتوان به مقرون به صرفه بودن، تمیزی سازوکار و کنترل مناسب اندازه ذرات با تنظیم عوامل مؤثر بر سیستم آزمایشگاهی و نیز انعطافپذیری بالا در شرایط متعارفی اشاره کرد .[4] در این روش از یک سلول الکتروشیمیایی حاوی الکترودهای نیکل و محلول الکترولیت برای ساخت نانوذرات استفاده میشود. با اعمال ولتاژ و گذشت زمان اکسایش آند و نیز کاهش آب در سطح کاتد روی داده و گونههای یونی در الکترولیت با هم وارد واکنش شده و نانوذرات تشکیل میشوند .[5]
مواد و روشها
روش الکتروکریستالیزاسیون به علت مقرون به صرفه بودن و کنترل آسان پارامترهای موثر از جمله جریان اعمالی، ولتاژ، pH محلول الکترولیت، دمای محیط آزمایش مورد توجه است. از این رو در این پژوهش به ساخت نانوذرات اکسیدنیکل به روش الکتروکریستالیزاسیون و بررسی خواص ساختاری آنها پرداخته شده است. تترامتیل آمونیوم کلراید - - CH3 - 4NCl - از شرکت مرک آلمان و ورقهای نیکل - خلوص بالای - %99 تهیه شد. سلول الکتروشیمیایی حاوی الکترودهای نیکل به عنوان آند و کاتد و محلول الکترولیت با نمک تترامتیل آمونیوم کلراید آماده شد. آمین به کار رفته به عنوان الکترولیت و پایدارساز و پوشش دهندهی سطح ذرات، به منظور ممانعت از به هم پیوستن آنها و کنترل اندازه ذرات عمل میکند.
با اعمال ولتاژ و گذشت زمان، اکسایش نیکل در سطح آند و کاهش آب در سطح کاتد اتفاق افتاده و گونه های یونی تولید شده در محلول با هم واکنش داده و باعث تشکیل رسوب نانوذرات میشوند. طی بررسیهای صورت گرفته ولتاژ مناسب 25 ولت انتخاب شد و چندین نمونه با اعمال ولتاژ مذکور با غلظت ثابت 0/04 مولار محلول الکترولیت ساخته شدند. رسوب حاصل چندین بار با آب مقطر شستشو داده شده و خشک گردید. پودر حاصل تحت دماهای مختلف 100 C، 300 C،400 C، 500 &، 700 C، C 1000 در کوره الکتریکی حرارت داده شد و برای مطالعات بعدی آماده گردید. مشخصهیابی نانوذرات حاصل توسط دستگاههای پراش اشعه ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - صورت گرفت.
نتایج و بحث
ماهیت ساختار بلوری نانوذرات تولید شده با استفاده از دستگاه XRD مورد مطالعه قرار گرفت. شکل 1 الگوهای پراش نمونههای تهیه شده با اعمال ولتاژ 25 ولت، قبل از حرارتدهی توسط کوره را نشان میدهد. مقایسه این الگو با الگوی موجود در کارت شماره - JCPDS 00-001-1047 - نشان میدهد که این ماده دارای ساختار بلوری هگزاگونال هیدروکسید نیکل با فرمول شیمیایی-Ni - OH - 2 میباشد. شکل 2 الگوی پراش همان نمونه را بعد از حرارتدهی تحت دماهای مختلف در کوره نشان میدهد.
مقایسه این الگوها با الگوی کارت - JCPDS 00-002-1216 - نشان می- دهد نمونهها دارای ساختار بسبلوری اکسید نیکل با فرمول شیمیایی NiO و ساختار بلوری مکعبی میباشند. نتایج حاصل از XRD نشان میدهند که با حرارتدهی نمونهها در دماهای پایینتر از 400 درجه سانتیگراد فاز هیدروکسیدنیکل پایدار است و در دماهای بالاتر به اکسید نیکل تبدیل میشود. پس از اعمال ولتاژ در آند مطابق واکنش - 1 - فلز نیکل اکسید شده و یون نیکل وارد محلول الکترولیت میشود. در سطح کاتد نیز طبق واکنش - 2 - کاهش آب صورت گرفته و یونهای هیدروکسید آزاد میشوند. در نهایت یونهای نیکل و هیدروکسید با هم وارد واکنش شده و هیدروکسید نیکل را تولید میکنند - واکنش . - 3 با حرارت دهی در دمای 400 درجه سانتیگراد هیدروکسیدنیکل به اکسیدنیکل طبق واکنش 4 انجام میشود.
در آنالیزهای انجام شده توسط طیف سنج FT-IR - شکل - 3 طیف دارای چندین پیک جذب قابل توجه در محدوده 4000 cm-1 تا 400 cm-1 است. باند جذب گستردهای که در حدود 3450 cm-1 مشاهده میشود، به ارتعاش کششی O-H اختصاص مییابد و باند در 1630 cm-1 به حالت ارتعاش خمشی H-O-H مولکولهای آب مربوط میشود. این نشان دهنده وجود آب در نمونه است. باند جذب گسترده در منطقه 490-430 cm-1 به ارتعاش کششی پیوند Ni-O اختصاص داده شده است . [3]
