胡良兵团队 AFM报道: 通过快速、高温3D微波加热合成金属氧化物纳米粒子

【背景介绍】

众所周知，碳负载的金属氧化物纳米颗粒被广泛用于水处理、光伏电池和超级电容器等领域。其中，碳基底不仅充当导电主体，而且可以防止纳米颗粒聚集以优化其功能。通常使用高温处理来合成装饰在碳上的金属氧化物纳米粒子。但在传统的加热技术中，从基板的表面到内部存在温度梯度、以及热量的传导、辐射和对流传递，导致制备的纳米颗粒不均匀且耗时长。尽管激光加热在内的非传统加热技术为纳米颗粒的合成提供了快速而局部的加热，但是只能加热样品表面的薄层并且很难控制。现今，微波加热被广泛用于功能材料的合成和加工中，其极大的减少了反应时间和提高了加热效率。然而，在高质量的石墨烯、陶瓷电解质等大多数研究中，其合成温度被限制在1100 k以下，极大的限制了微波加热的应用。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学的胡良兵教授（通讯作者）团队报道了一种利用微波作为动力的快速、原的位3D加热方法，以在3D碳化木（C-木材）主体上制造分散良好的金属氧化物纳米颗粒。C-木材的适度电子导电性有助于局部焦耳加热，而良好的导热性可确保整个材料的快速3D加热。C-木材的温度可在4 s内从室温升高到2200 K，稳定温度为1400 K，且在2 s内可冷却回室温。此外，预加载的前体盐由于高温在C-木材表面上迅速分解并在快速淬灭过程中形成超细金属氧化物（≈11 nm）纳米颗粒。该过程在空气中进行，有助于防止金属氧化物被C还原。总之，3D加热方法为快速、可扩展地合成金属氧化物纳米颗粒提供了一种新方法。该研究成果以题为“Synthesis of Metal Oxide Nanoparticles by Rapid, High-Temperature 3D Microwave Heating”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上（第一作者仲耿、徐劭懋博士、陈朝吉博士）。

【图文解读】

图一、C-木材的制备过程和示意图
（a）微波加热装置的示意图；

（b）加热过程以及从材料发出的光的图像；

（c）在≈1400 K下进行4 s的3D热处理，在C-木材基板内制造的金属氧化物纳米粒子的示意图；

（d）平均纳米颗粒尺寸与加热时间的关系；

（e）电子传导率对微波耦合的影响以及由此产生的C型木的加热效果。

图二、3D快速加热方法的表征
（a-b）微波加热过程之后的c-木材/Co(NO₃)₂起始材料和微波后的所得C-木材/CoO_x的照片。

（c-f）C-木材/Co(NO₃)₂和C-木材/CoO_x材料的SEM图以及相应的高分辨率图像；

（g）在1000 W微波功率下进行3D加热的最初200 ms的发光强度；

（h）根据黑体理论从光强度估计的温度随时间的变化，温度最高达到2200K并稳定在1400K；

（i）根据高温测定的多帧图像计算的最初70 ms照明的温度曲线。

图三、3D加热6s快速制成的C-木材/CoO_x的微观结构
（a）C-木材/CoO_x复合材料的SEM图像；

（b-d）从（a）中三个相应区域中选择的样品的TEM图像以示纳米颗粒分布均匀；

（e）C-木材/CoO_x的XRD图谱；

（f-g）通过加热6 s制得的C-木材/CoO_x中发现的纳米粒子的组合和单个Co和O EDX图。

图四、3D加热方法的机理
（a-c）不同电子电导率的C-木材的微波耦合行为和加热效果示意图；

（d）不同温度下碳化的C-木材的电导率；

（e）不同温度下制成的不同电子电导率的C-木材的微波吸收性能；

（f）不同温度下碳化的C-木材的热导率。

图五、3D加热作为通用的金属氧化物合成方法
（a-d）通过3D加热合成的C-木材/NiO的SEM、TEM和元素分析；

（e-h）通过3D加热合成的C-木材/Fe₃O₄的SEM、TEM和元素分析；

（i-j）C-木材/NiO和C-木材/Fe₃O₄的XRD图谱；

（k）相对于报道的3D加热方法的平均1400 K温度，所选金属硝酸盐的分解温度。

【总结】

综上所述，作者报道了一种快速微波3D加热的方法用于在通道结构的C-木材上原位合成超细金属氧化物纳米颗粒。该3D加热技术具有更简单、更快、更高效的优点。C-木材的温度可在4 s内达到2200 K，并在1400 K保持稳定，最大瞬时升温速率约为272 000 K s^-1。由于这种材料具有吸收微波能量的能力，C-木材基板具有适度导电性、良好的导热性和完整的通道结构。除了CoO_x之外，作者还成功的合成了Fe₃O₄和NiO等金属氧化物纳米颗粒。这表明只要前体分解温度低于1400 K，该方法就可以扩展到广泛范围的金属氧化物纳米颗粒的合成中。基于微波的快速，该加热方法代表了超细金属氧化物纳米颗粒可扩展合成的有希望的方向。

文献链接：Synthesis of Metal Oxide Nanoparticles by Rapid, High-Temperature 3D Microwave Heating（Adv. Funct. Mater.,2019, DOI:10.1002/adfm.201904282）

本文由CQR编译。

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