PL233346B1 - Sposób wytwarzania nanokompozytu grafen/NiFe2O4 - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania nanokompozytu grafen/NiFe2O4. Materiałem wyjściowym jest mieszanina tlenku grafenu w roztworze etanolu, azotanu żelaza, azotanu niklu i wody amoniakalnej. Nanokompozyty mogą być wykorzystane w przemyśle elektronicznym.

W literaturze opisano kilka metod otrzymywania nanokompozytów grafen/NiFe2O4. Procesy te prowadzi się wieloetapowo. W pierwszym etapie zawiesinę tlenku grafenu w wodzie, etanolu lub acetonie poddaje się procesowi sonifikacji. Następnie do takiej mieszaniny dodaje się sól żelaza (azotan, chlorek lub octan) i sól niklu (azotan, chlorek lub inne). W kolejnym etapie do mieszaniny dodaje wodorotlenek sodu, wodorotlenek potasu lub wodę amoniakalną w celu podniesienia pH roztworu i wytrącenia wodorotlenku żelaza i wodorotlenku niklu. Końcowym etapem preparatyki jest umieszczenie mieszaniny w autoklawie lub innym urządzeniu ciśnieniowym i przeprowadzenie procesu ciśnieniowego w czasie od 8-24 h. Często po obróbce w autoklawie materiał jest wygrzewany w piecu przy różnych temperaturach w atmosferze gazu obojętnego (azot, argon).

W publikacji Md. Elias Uddin, Nam Hoon Kim, Tapas Kuila, Seung Hee Lee, David Hui, Joong Hee Lee, Preparation of reduced graphene oxide-NiFe2O4 nanocomposites for the electrocatalytic oxidation of hydrazine, Composites Part B 79 (2015) 649-659 przedstawiono metodę otrzymywania nanokompozytów grafen/NiFe2O4 poprzez wymieszanie sonifikowanego w wodzie tlenku grafenu z chlorkiem żelaza i chlorkiem niklu. Do tak przygotowanej mieszaniny dodawano tiosiarczan sodu. Do wytrącenia wodorotlenków wykorzystano NaOH. Następnie gotową zawiesinę umieszczono w autoklawie gdzie prowadzono proces w temperaturze 150°C przez 20 godzin. W końcowym etapie materiał przepłukano i odsączono. Otrzymanie nanokompozytów grafen/NiFe2O4 potwierdzono badaniami XRD, FT-IR, SEM, TEM, TGA.

W pracy Fengmin Wu, Xiaowei Wang, Mei Li, HangXu „A high capacity NiFe2O4/RGO nanocomposites as superior anode materials for sodium-ion batteries” Ceramics International 42 (2016) 1666616670 opisana jest również metoda otrzymywania nanokompozytów grafen/NiFe2O4 z chlorków z wykorzystaniem autoklawu. W tym przypadku jako substancję wytrącającą wodorotlenki zastosowano wodny roztwór amoniaku. Po wytrąceniu odpowiednich wodorotlenków mieszaninę wraz z tlenkiem grafenu przeniesiono do autoklawu gdzie prowadzono proces w temperaturze 150°C przez 12 h. Po procesie w autoklawie produkt przepłukano wodą destylowaną i przesączono. Na podstawie wyników otrzymanych z analizy XRD, SEM potwierdzono otrzymanie nanokompozytów grafen/NiFe2O4.

Podobną metodę otrzymywania nanokompozytów grafen/NiFe2O4 przedstawili Pengxi Li, Ruguang Ma, Yao Zhou, Yongfang Chen, Zhenzhen Zhou, Guanghui Liu, Qian Liu, Guihua Peng and Jiacheng Wang, w pracy „Solvothermally synthesized graphene nanosheets supporting spinel NiFe2O4 nanoparticles as an efficient electrocatalyst for the oxygen reduction reaction” RSC Adv., 2015, 5, 44476-44482. Jako środowisko reakcji zastosowali wodę. Natomiast do uzyskania spinelu NiFe2O4 użyli azotanów niklu i żelaza. Materiały otrzymywano w autoklawie w temperaturze 180°C przez 12 h, a w końcowym etapie wygrzano w temperaturze 500°C w atmosferze argonu. Skuteczność metody potwierdzono stosując następujące metody badawcze XRD, TG, Raman i TEM.

Z literatury znana jest praca Xuefang Chen „Self-assembled flower-like NiFe2O4 decorated on 2D grapheme nanosheets composite and their excellent electrochemical performance as anode materials for LIBs”, Journal of Alloys and Compounds 686 (2016) 905-913, w której został opisany sposób otrzymywania nanokompozytu grafen/NiFe2O4 w środowisku izopropanolu. W pracy przedstawiono metodę, w której do tlenku grafenu w izopropanolu dodano azotan żelaza i octan niklu. Następnie otrzymaną mieszaninę umieszczono w autoklawie i prowadzono proces w temperaturze 180°C przez 12 h. Otrzymany materiał wygrzano 550°C przez 3 h w atmosferze argonu. Otrzymanie nanokompozytów grafen/NiFe2O4 potwierdzono metodą XRD, SEM, TEM.

Abbas Afkhami i inni w pracy „Preparation of NiFe2O4/graphene nanocomposite and its application as a modifier for the fabrication of an electrochemical sensor for the simultaneous determination of tramadol and acetaminophen”, Analytica Chimica Acta 831 (2014) 50-59, oraz Elham Kamali Heidari i inni w pracy „NiFe2O4/graphene nanocomposites with tunable magnetic properties”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 379 (2015) 95-101 opisali metodę otrzymywania nanokompozytów grafen/NiF2O4 z wykorzystaniem azotanów niklu i żelaza oraz wody amoniakalnej jako substancji ponoszącej pH roztworów. W obu pracach wykorzystano autoklaw do otrzymania gotowych nanokompozytów. Proces w autoklawie prowadzono 24 h lub 20 h w temperaturze 180°C. Otrzymany materiał płukano

PL 233 346 B1 i suszono w temperaturze 50°C lub 60°C. W wyniku przeprowadzonych analiz XRD i TEM potwierdzono otrzymanie nanokompozytów grafen/NiFe2O4.

Sposób otrzymywania kompozytu grafen/NiFe2O4 polegający na przygotowaniu mieszaniny tlenku grafenu, azotanu żelaza III, azotanu niklu, wody amoniakalnej, etanolu i poddaniu jej obróbce ciśnieniowej, charakteryzuje się tym, że mieszaninę poddaje się obróbce ciśnieniowej w solwotermalnym reaktorze mikrofalowym, przez czas od 5 do 45 minut przy ciśnieniu od 4 do 6 MPa, następnie otrzymany materiał płucze się wodą destylowaną i suszy.

Zastosowanie solwotermalnego reaktora mikrofalowego do obróbki ciśnieniowej, zamiast autoklawu, pozwala na znaczące skrócenie czasu procesu od 5-45 minut w porównaniu z autoklawem gdzie procesy trwają od kilku do kilkunastu godzin. W wyniku przeprowadzonych syntez otrzymano materiały kompozytowe grafen/NiFe2O4. Sposobem według wynalazku można otrzymać materiał o różnej zawartości masowej NiFe2O4, a co za tym idzie o różnych właściwościach elektrycznych i magnetycznych.

Przedmiot wynalazku został bliżej objaśniony w przykładach wykonania i na zdjęciach TEM przedstawiających struktury kompozytowe grafen/NiFe2O4. Fig. 1 przedstawia strukturę grafen/NiFe2O4 (5% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 4 MPa w etanolu, fig. 2 strukturę grafen/NiFe2O4 (50% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 4 MPa w etanolu, fig. 3 strukturę grafen/NiFe2O4 (5% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 5 MPa w etanolu, fig. 4 strukturę grafen/NiFe2O4 (50% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 6 MPa w etanolu, fig. 5 grafen/NiFe2O4 (25% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 4 MPa w etanolu, fig. 6, grafen/NiFe2O4 (25% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 5 MPa w etanolu, fig. 7 grafen/NiFe2O4 (50% mas.) uzyskaną przy ciśnieniu 6 MPa w etanolu.

P r z y k ł a d 1

Sonifikuje się 0,5 g tlenku grafenu w 50 ml etanolu, następnie dodaje się do roztworu 0,063 g azotanu żelaza III i 0,048 azotanu niklu (5% mas. NiFe2O4). Następnie do mieszaniny dodaje się 25% wodny roztwór amoniaku w celu podniesienia pH do 12. Po wytrąceniu się w roztworze wodorotlenku żelaza III i wodorotlenku niklu mieszaninę umieszcza się w reaktorze mikrofalowym i przeprowadza syntezę w czasie 5 minut przy ciśnieniu 4 MPa. Następnie otrzymany materiał przepłukano wodą destylowaną i wysuszono.

P r z y k ł a d 2

Sporządzono roztwór i postępowano jak w przykładzie 1, z tym, że podczas sporządzania roztworu dodaje się 0,418 g azotanu żelaza III i 0,322 g azotanu niklu (25% mas. NiFe2O4), syntezę prowadzono w czasie 30 minut, przy ciśnieniu 5 MPa.

P r z y k ł a d 3

Sporządzono roztwór i postępowano jak w przykładzie 1, z tym, że podczas sporządzania roztworu sporządzania roztworu dodaje się 1,261 g azotanu żelaza III i 0,971 g azotanu niklu (50% mas. NiFe2CO4), syntezę prowadzono w czasie 45 minut, przy ciśnieniu 6 MPa.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób otrzymywania kompozytu grafen/NiFe2O4 polegający na przygotowaniu mieszaniny tlenku grafenu, azotanu żelaza III, azotanu niklu, wody amoniakalnej, etanolu i poddaniu jej obróbce ciśnieniowej, znamienny tym, że mieszaninę poddaje się obróbce ciśnieniowej w solwotermalnym reaktorze mikrofalowym, przez czas od 5 do 45 minut przy ciśnieniu od 4 do 6 MPa, następnie otrzymany materiał płucze się wodą destylowaną i suszy.