胡良兵團隊 AFM報道: 通過快速、高溫3D微波加熱合成金屬氧化物納米粒子

【背景介紹】

眾所周知，碳負載的金屬氧化物納米顆粒被廣泛用于水處理、光伏電池和超級電容器等領域。其中，碳基底不僅充當導電主體，而且可以防止納米顆粒聚集以優化其功能。通常使用高溫處理來合成裝飾在碳上的金屬氧化物納米粒子。但在傳統的加熱技術中，從基板的表面到內部存在溫度梯度、以及熱量的傳導、輻射和對流傳遞，導致制備的納米顆粒不均勻且耗時長。盡管激光加熱在內的非傳統加熱技術為納米顆粒的合成提供了快速而局部的加熱，但是只能加熱樣品表面的薄層并且很難控制。現今，微波加熱被廣泛用于功能材料的合成和加工中，其極大的減少了反應時間和提高了加熱效率。然而，在高質量的石墨烯、陶瓷電解質等大多數研究中，其合成溫度被限制在1100 k以下，極大的限制了微波加熱的應用。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學的胡良兵教授（通訊作者）團隊報道了一種利用微波作為動力的快速、原的位3D加熱方法，以在3D碳化木（C-木材）主體上制造分散良好的金屬氧化物納米顆粒。C-木材的適度電子導電性有助于局部焦耳加熱，而良好的導熱性可確保整個材料的快速3D加熱。C-木材的溫度可在4 s內從室溫升高到2200 K，穩定溫度為1400 K，且在2 s內可冷卻回室溫。此外，預加載的前體鹽由于高溫在C-木材表面上迅速分解并在快速淬滅過程中形成超細金屬氧化物（≈11 nm）納米顆粒。該過程在空氣中進行，有助于防止金屬氧化物被C還原。總之，3D加熱方法為快速、可擴展地合成金屬氧化物納米顆粒提供了一種新方法。該研究成果以題為“Synthesis of Metal Oxide Nanoparticles by Rapid, High-Temperature 3D Microwave Heating”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上（第一作者仲耿、徐劭懋博士、陳朝吉博士）。

【圖文解讀】

圖一、C-木材的制備過程和示意圖
（a）微波加熱裝置的示意圖；

（b）加熱過程以及從材料發出的光的圖像；

（c）在≈1400 K下進行4 s的3D熱處理，在C-木材基板內制造的金屬氧化物納米粒子的示意圖；

（d）平均納米顆粒尺寸與加熱時間的關系；

（e）電子傳導率對微波耦合的影響以及由此產生的C型木的加熱效果。

圖二、3D快速加熱方法的表征
（a-b）微波加熱過程之后的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圖以及相應的高分辨率圖像；

（g）在1000 W微波功率下進行3D加熱的最初200 ms的發光強度；

（h）根據黑體理論從光強度估計的溫度隨時間的變化，溫度最高達到2200K并穩定在1400K；

（i）根據高溫測定的多幀圖像計算的最初70 ms照明的溫度曲線。

圖三、3D加熱6s快速制成的C-木材/CoO_x的微觀結構
（a）C-木材/CoO_x復合材料的SEM圖像；

（b-d）從（a）中三個相應區域中選擇的樣品的TEM圖像以示納米顆粒分布均勻；

（e）C-木材/CoO_x的XRD圖譜；

（f-g）通過加熱6 s制得的C-木材/CoO_x中發現的納米粒子的組合和單個Co和O EDX圖。

圖四、3D加熱方法的機理
（a-c）不同電子電導率的C-木材的微波耦合行為和加熱效果示意圖；

（d）不同溫度下碳化的C-木材的電導率；

（e）不同溫度下制成的不同電子電導率的C-木材的微波吸收性能；

（f）不同溫度下碳化的C-木材的熱導率。

圖五、3D加熱作為通用的金屬氧化物合成方法
（a-d）通過3D加熱合成的C-木材/NiO的SEM、TEM和元素分析；

（e-h）通過3D加熱合成的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圖譜；

（k）相對于報道的3D加熱方法的平均1400 K溫度，所選金屬硝酸鹽的分解溫度。

【總結】

綜上所述，作者報道了一種快速微波3D加熱的方法用于在通道結構的C-木材上原位合成超細金屬氧化物納米顆粒。該3D加熱技術具有更簡單、更快、更高效的優點。C-木材的溫度可在4 s內達到2200 K，并在1400 K保持穩定，最大瞬時升溫速率約為272 000 K s^-1。由于這種材料具有吸收微波能量的能力，C-木材基板具有適度導電性、良好的導熱性和完整的通道結構。除了CoO_x之外，作者還成功的合成了Fe₃O₄和NiO等金屬氧化物納米顆粒。這表明只要前體分解溫度低于1400 K，該方法就可以擴展到廣泛范圍的金屬氧化物納米顆粒的合成中。基于微波的快速，該加熱方法代表了超細金屬氧化物納米顆粒可擴展合成的有希望的方向。

文獻鏈接：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編譯。

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