سنتز نانوذرات اکسید مس با استفاده از روش الکتروشیمیایی

سنتز نانوذرات اکسید مس با استفاده از روش الکتروشیمیایی

ترجمه تخصصی کلینیک تخصصی علوم از مقاله :

Copper Oxide Nanoparticles Synthesis by Electrochemical Method
Nitin DIGHORE, Sunita JADHAV, Suresh GAIKWAD, Anjali RAJBHOJ  

چکیده:

نانوذرات اکسید مس با استفاده از روش کاهش الکتروشیمیایی تهیه شد که یک روش بی‌خطر ازلحاظ زیست‌محیطی است. تترا اتیل آمونیوم برمید (TEAB)، تترا اتیل آمونیوم برمید (TPAB)، تترا بوتیل آمونیوم برمید (TBAB) به‌عنوان عامل تثبیت‌کننده در محیط آلی از تترا هیدرو فوران (THF) و استونیتریل (ACN) در نسبت ۴: ۱ با دانسیته جریان بهینه‌شده، مورداستفاده قرار گرفت. فرایند کاهش در مدت‌زمان ۲ ساعت تحت شرایط جو ، انجام گرفت. چنین نانو ذراتی با استفاده از سلول الکترولیز ساده که در آن آند فدا شونده (از بین رونده)، ورق فلز مس (به‌صورت تجاری در دسترس است) است و ورق پلاتین (بی‌اثر) به‌عنوان کاتد عمل می‌کند، تهیه شد. تثبیت‌کننده‌ها برای کنترل اندازه نانوذرات استفاده‌شده است. نانوذرات اکسید مس ساخته‌شده با استفاده از تکنیک‌های UV-Visible، FT-IR، XRD، SEMEDS و TEM تعیین ویژگی شدند.

مقدمه:

اکسیدهای فلزات واسطه، کلاس ویژه‌ای از نیمه‌هادی‌ها است که تعداد زیادی از آن‌ها درزمینه های مختلف کاربرد دارد. اکسید مس (II) ماده نیمه‌هادی از نوع P با باند گپ ۵/۱-۲/۱ الکترون‌ولت است. تغییر در باند گپ با دما مشاهده می‌شود. نانوذرات اکسید مس (II) به‌علت کاربردهای امیدوارکننده درزمینه های مختلف ازجمله سلول‌های خورشیدی [۱]، مغناطیس [۲]، ترانزیستورهای اثر میدان [۳]، سلول‌های الکتروشیمیایی [۴]، ساطع کننده‌های میدانی [۵] ، مواد ترمو الکتریک [۶، ۷]، کاتالیز [۸ – ۱۱]، حس‌گرها [۱۲]، ابررساناها [۱۳] و فعالیت ضد میکروبی [۱۴ – ۱۵]، توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. به‌تازگی در تحقیقات نور گرمایی (فوتوترمال) و هادی نور (فوتو هادی) توجه زیادی را به خود جلب کرده است زیرا مواد پایه برای سنتز چندین ابررسانای دما-بالا است [۱۶].

نانوذرات اکسید مس (II) در مقایسه با سایر نانوذرات فلزات نجیب، علاقه بیشتری نسبت به تحقیقات خود را جذب کرده‌اند، زیرا خواص سودمند آن بسیار ارزان‌تر از نقره و طلا است. روش‌های مختلف سنتز نانوذرات مس توسط مواد شیمیایی [۱۷]، اشعه ماکروویو [۱۸]، هیدروترمال [۱۹]، الکتروشیمیایی [۲۰]، بیولوژیکی [۲۱]، اولتراسونیک [۲۲] و فرسایش پالس لیزر [۲۳] ، گزارش‌شده است.

با توجه به کاربردهای بالقوه نانوذرات مس (II) ، در اینجا یک روش ساده و سریع برای تهیه نانوذرات اکسید مس (II) توسط روش کاهش الکتروشیمایی ، گزارش کردیم. برای تثبیت نانوذرات اکسید مس (II)، یک سری از نمک‌های تترا آلکیل آمونیوم برمید استفاده شد که همچنین اندازه ذرات را کنترل می‌کند.

قسمت تجربی:

تمام مواد شیمیایی و معرف‌ها از Aldrich خریداری‌شده است. فویل فلزی موردنیاز برای فرایند الکتروشیمیایی باضخامت ۰٫۲۵ میلی‌متر و خلوص ۹۹٫۹ درصد از شرکت Alfa Aesar خریداری‌شده است.

سنتز نانوذرات اکسید مس (II) با روش کاهش الکتروشیمیایی در ابتدا توسط ریتز[۱] و همکارانش [۲۴] گزارش‌شده است. در آزمایش اولیه ما یک ورق فلز مس (۱ × ۱ سانتی‌متر) به‌عنوان آند و ورق پلاتین (۱ × ۱ سانتی‌متر) به‌عنوان کاتد استفاده نمودیم. این دو الکترود ۰/۱ سانتیمتر از یکدیگر فاصله داشتند. تترا اتیل آمونیوم برمید (TEAB) (01/0 مولار) در نسبت (۴: ۱) از ACN/THF به‌عنوان الکترولیت پشتیبان مورداستفاده قرار گرفت . با توجه به اعمال دانسیته ی جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع ، نانو کلاستر اکسید مس (II) تثبیت‌شده توسط TEAB به دست آمد. نانوذرات اکسید مس (II) به رنگ قهوه‌ای تیره هستند. فرایند واکنش مشابهی برای تثبیت‌کننده‌های TPAB و TBAB مورداستفاده قرار گرفت. ازآنجایی‌که نانوذرات در حلال‌ها ، نامحلول هستند، جهت ورکاپ فقط نیاز به تخلیه ساده دارد. نانوذرات جامد اکسید مس (II) تخلیه‌شده با THF خشک سه تا چهار بار شستشو داده شد تا تثبیت‌کننده‌های اضافی شسته شود و در خلأ خشک شد و پس‌ازآن در بطری‌های شیشه‌ای دربسته، برای تعیین ویژگی شدن، ذخیره شدند.

نانوذرات اکسید مس (II) توسط اسپکتروفتومتر UV-Visible ، اسپکتروفتومتر FT-IR، تکنیک XRD، TEM، SEM-EDS تعیین ویژگی شد. طیف UV-visible توسط اسپکتروفتومتر [JASCO 503] با استفاده از یک کوارت کوارتز با نسبت (۴: ۱) از ACN/THF به‌عنوان حلال مرجع ثبت شد. طیف‌های IR بر روی اسپکتروفتومتر ژاپنی [JASCO, FT-IR/4100] با استفاده از KBr خشک به‌عنوان مرجع استاندارد در محدوده ۶۰۰ تا ۴۰۰۰ cm-1 ثبت شد. پراش پرتوهای اشعه ایکس نانوذرات اکسید مس با استفاده از دیفراکتومتر پیشرفته اشعه ایکس Bruker 8D با استفاده از تابش CuKα با طول‌موج ۱٫۵۴۰۵۶ آنگستروم ثبت شد. برای مطالعه مورفولوژی و ترکیب عناصر نانوذرات اکسید مس (II) از SEM و EDS استفاده شد. آنالیز SEM با JEOL انجام شد؛ JSM-LA در ۲۰٫۰ kV و ۱٫۰۰۰۰ nA کار می‌کرد. شکل، اندازه و مورفولوژی بسته‌بندی‌شده با استفاده از آنالیز TEM دستگاه Philips مدل CM200 که در ۲۰۰ کیلوولت کار می‌کرد، به دست آمد.

بحث و نتیجه‌گیری:

کاهش یون‌های مس از طریق تغییر رنگ مرتبط با آن، به‌وضوح قابل‌مشاهده است. شکل ۱ نانوذرات اکسید مس (II) را نشان می‌دهد که در حدود ۶۴۰ نانومتر دارای یک پیک است. رنگ سبز به‌تدریج به سیاه قهوه‌ای تبدیل می‌شود که نشان می‌دهد که حالت اکسیداسیون مس، از صفر تا ۲+ تغییر می‌کند. نانوذرات اکسید مس (II) حداکثر جذب را در ۶۳۸ تا ۶۴۲ نانومتر نشان می‌دهد. این باند جذبی را می‌توان به رزونانس پلاسما سطحی نانوذرات اکسید مس (II) نسبت داد. SPR نانوذرات اکسید مس کلوئیدی که پیش‌ازاین گزارش‌شده است [۲۵] با پیک‌های گسترده در ۵۹۰ تا ۶۴۰ نانومتر ، با نتیجه کنونی تطابق خوبی دارد. پیک‌های گسترده در حدود ۶۴۰ نانومتر می‌تواند به آگلومره شده و توزیع گسترده نانوذرات در محلول نسبت داده شود. ذرات تقریباً هیچ تغییری در طیف جذب حتی پس از یک ماه از زمان پیرسازی نشان ندادند، که نشان‌دهنده طبیعت بسیار پایدار نانوذرات اکسید مس (II) است.

شکل ۲ نشان‌دهنده طیف‌های IR از نانوذرات اکسید مس (II) با a TEAB، TPAB b و c -TBAB از محلول ۰۱/۰ مولار در چگالی جریان ۱۰ میلی‌آمپر ، می‌باشد. در طیف IR پیک‌های ظاهرشده در ۳۴۲۴ – ۳۴۳۷ cm-1 می‌تواند به گروه‌های هیدروکسیل نسبت داده شود، که نشان‌دهنده ماهیت هیدروسکوپی نانوذرات اکسید مس (II) است. ارتعاش کششی و خمشی C-H به ترتیب ۲۹۶۲ – ۲۹۷۵ cm-1 ، ۲۸۷۲ – ۲۸۸۵ cm-1 و ۱۵۸۷ cm-1 مشاهده می‌شود. پیک ۱۶۶۴ cm-1 مربوط به یون متقارن N+R4 است. پیک‌های ۱۳۸۶ – ۱۳۹۹ cm-1 مربوط به کششی C-C و پیک ۱۰۶۹ cm-1 مربوط به کششی C-N، است. بعضی از پیک ها در محدوده ۷۵۲ تا ۸۸۰ cm-1 مشاهده می‌شود که ممکن است به دلیل ارتعاش خمشی M-O-M (M = Cu) باشد. پیک ۶۵۹ تا ۶۹۰ cm-1 به‌علت ارتعاش کششی Cu-O است . به‌طورکلی از TEAB تا TBAB اعداد موجی افزایش‌یافته یعنی از ۳۴۲۴ به ۳۴۳۷، ۲۹۶۲ تا ۲۹۷۵، ۲۸۷۲ تا ۲۸۸۵، ۷۵۲ تا ۷۶۰ و ۶۵۹ – ۶۹۰ cm-1 افرایش یافته است. به‌منظور درک تقارن فازی نانوذرات اکسید مس (II)، مطالعه سیستماتیک روی مطالعات XRD انجام شد. شکل ۳ الگوی XRD نانوذرات اکسید مس (II) را با مقادیر غلظتی ۰۱/۰ مولار برای a b TEAB، c – TPAB TBAB در چگالی جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مکعب را نشان می‌دهد. پارامترهای شبکه a = 4.653، b = 3.410، c = 5.4089 در β = ۹۹٫۴۸۰ می‌باشد. پیک‌های قوی و شدید در صفحات (۱۱۱-)، (۱۱۱)، (۰۱۲)، (۰۲۰)، (۱۲۰) و (۱۲۱) به دست آمد که نشان‌دهنده ساختار مونوکلینیک نانوذرات اکسید مس (II) بود که شکل رایج این نانوذرات در طبیعت است. پراش در هماهنگی خوب با کارت ASTM شماره ۷۴-۱۰۲۱ است. اندازه ذرات متوسط ​​در محدوده ۵ تا ۲۵ نانومتر با استفاده از معادله‌ی دبای-شرر[۲] [۲۶] (معادله ۱) است، که نشان‌دهنده مساحت سطح بالای آن است. نسبت سطح به نسبت حجم نانوبلورها توسط معادله زیر محاسبه می‌شود:

جایی که K به‌عنوان ثابت شرر (فاکتور شکل) شناخته می‌شود، که در محدوده ۹/۰ تا ۰/۱ است؛ λ که طول‌موج منبع اشعه ایکس بوده و برابر با ۱٫۵۴۱۸ است، β عرض کامل پیک در نیمه ارتفاع است و θ زاویه براگ است.

طیف‌های XRD پیک‌هایی شدید در صفحه (۱۱۱) را برای TEAB، TPAB، TBAB با عرض نصف ارتفاع پیک ماکزیمم (FWHM) 3818/1 ، ۴۰۹۷/۱ و ۵۶۰۹/۱ که با کاهش ذرات در اندازه‌های ۰۴/۶ نانومتر ، ۹۲/۵ نانومتر و ۳۴/۵ نانومتر ، افزایش می‌یابد را نشان می‌دهد که در جدول ۱ نشان داده‌شده است.

جدول ۱اثر تثبیت‌کننده بر اندازه نانوذرات اکسید مس (II)

برای مطالعه مورفولوژی سطح و ترکیب عنصری، SEM با EDS به‌طور سیستماتیک موردبررسی قرار گرفت. شکل ۴ a – c نشان می‌دهد که نانوذرات شکل نامنظم دارند و توزیع ذرات یکنواخت نیست، که احتمالاً به دلیل حل شدن بخشی از سورفاکتانت در حلال در شرایط آزمایشگاهی است. شکل ۴ a و b، حضور نانوذرات متخلخل را نشان می‌دهد که به‌صورت بی‌نظم آگلومره شده‌اند. شکل ۴c ، SEM ریز-ساختار نانوذرات اکسید مس (II) با پوشش TBAB با آگلومره های متراکم را نشان می‌دهد. طیف EDS برای آنالیز ترکیب نانوذرات اکسید مس (II) مورداستفاده قرار گرفت و نتایج در شکل ۴d، نشان داده‌شده است. پیک‌های عناصر C، O، Br و Cu مشاهده‌شده در جدول ۲ توصیف‌شده است. پیک برای Br به‌عنوان ناخالصی از سورفکتانت‌ها، که در مقدار ردیابی وجود دارد، به وجود می‌آید.

میکرو گراف شکل ۵ a – c نانوذرات کروی با مورفولوژی منظم و اندازه متوسط ذرات در محدوده ۵ تا ۳۰ نانومتر را نشان می‌دهد که توافق خوبی با اندازه کریستال به‌دست‌آمده از XRD دارد. نمودار هیستوگرام در شکل ۵ a – c نشان داد که میانگین و انحراف استاندارد نانوذرات اکسید مس (II) با a TEAB، b TPAB و c TBAB به ترتیب ۲۸٫۹۷ ± ۹٫۲۶ nm، ۲۲٫۳۹ ± ۵٫۸۶ nm و ۱۳٫۲۹ ± ۶٫۹۳ nm نانومتر است که نشان‌دهنده نانوبلورهای آگلومره شده اکسید مس (II) است. تصاویر SAED در شکل ۵ a-c نشان می‌دهد که نانوذرات اکسید مس (II) به‌خوبی بلوری هستند. حلقه‌های دیفراکسیون در تصویر مطابق با (۱۱۱-) و (۱۱۱) است که مطابق با الگوی XRD است.

جدول ۲ آنالیز عنصری EDS از نانوذرات اکسید مس (II) با تثبیت‌کننده TBAB

شکل ۱ طیف‌های UV-visible از نانوذرات اکسید مس a (II) b TEAB؛ c TPAB ؛ TBAB در ۰۱/۰ مولار و دانسیته جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع

شکل ۲ طیف FT-IR از نانوذرات اکسید مس a (II) b TEAB؛ c TPAB ؛ TBAB در دانسیته جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع

شکل ۳ الگوی پراش اشعه ایکس از نانوذرات اکسید مس a (II) b TEAB؛ c TPAB ؛ TBAB در دانسیته جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع

شکل ۴ تصاویر SEM از نانوذرات اکسید مس a (II) b TEAB؛ c TPAB ؛ TBAB در دانسیته جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع d طیف EDS از TBAB

شکل ۵ تصاویر TEM با الگوی SAED و هیستوگرام مربوطه از نانوذرات اکسید مس (II) a b TEAB؛ c TPAB ؛ TBAB در دانسیته جریان ۱۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع

نتیجه‌گیری

ما کارایی روش کاهش الکتروشیمیایی برای سنتز نانوذرات اکسید مس (II) کروی شکل را نشان داده‌ایم. نمک‌های TEAB، TPAB و TBAB که به‌عنوان عوامل تثبیت‌کننده استفاده می‌شوند، نقش مهمی در کنترل اندازه ذرات بازی می‌کنند. اثر تثبیت‌کننده‌ها بر اندازه ذرات نانوذرات اکسید مس (II) با افزایش زنجیره کربن در TEAB، TPAB و TBAB از نمک‌های مربوطه توسط داده‌هایی که XRD و TEM وجود به دست آمد ، تائید شد. نانوذرات اکسید مس (II) دارای اندازه متوسط در محدوده ۵ تا ۳۰ نانومتر بوده و دارای ساختار مونوکلینیک است. بنابراین سنتز نانوذرات اکسید مس (II) با روش کاهش الکتروشیمیایی ساده‌ترین، ارزان‌ترین، با کمترین زمان و خلوص بالا از نانوذرات است.

  1. Reetz

  2. Debye Scherrer

دیدگاه بگذارید

avatar
  Subscribe  
Notify of