نانوذرات،اکسید سرب، نیترات سرب، PVP، اولتراسونیک

نانوذرات اکسید سرب(II)ازواکنش نیترات سرب با کربنات سدیم در حضور امواج اولتراسونیک و افزودنی پلی وینیل پیرولیدون (PVP) به عنوان جهت دهنده سنتز شد. با فزایش کربنات سدیم به نیترات سرب، رسوب کربنات سرب تشکیل می شود که پس از جداسازی، در دمای C° 320 برای دو ساعت قرار گرفته تا بعد از دست دادن CO2 تبدیل به PbO شود. اثر عوامل مختلف نظیر غلظت واکنشگرها، دمای سنتز و اثر چند افزودنی مختلف به روش "یک عامل در یک زمان" بررسی شد. سنتز اکسید سرب در شرایط بهینه شده شامل نیترات سرب M 1/0، کربنات سدیم M 2/0، دمای ºC40 وPVP با غلظت g/l 6 منجر به تشکیل نانوذرات اکسید سرب با یک ساختار بسیار متخلخل می شود. مورفولوژی و اندازه ذرات سنتز شده بوسیله دستگاه میکروسکوپ الکترنی (SEM) بررسی شد.
1. مقدمه
اکسیدهای سرب به دلیل کاربرد متنوع مورد توجه فراوان قرار دارد( بخصوص PbO و PbO2) که در این میان دی اکسید سرب به روش های متفاوتی تولید شده است اما تولید نانو ذرات اکسید سرب PbO) ) به صورت محدود مورد بررسی قرار گرفته است که از آن جمله میتوان به تولید نانو ساختاربه روش اسپری که هدف آن افزایش سطح تماس آن در باتریهای همراه با یون لیتیم ]1[ میباشد را نام برد.
2. بخش تجربی
2-1- مواد
برای تولید نانوذرات اکسید سرب از نیترات سرب وکربنات سرب وPVP که ساخت کمپانی Loba Chemie از کشور هند میباشد، استفاده شد.
2-2- دستگاهها
برای سنتزاز دستگاه اولتراسونیک با مدل TECNO_GAZ ،TECNA6 از کشور ایتالیا استفاده شد. برای بررسی مورفولوژی و اندازه ذرات از دستگاه میکروسکوپ الکترونی (SEM) مدل XL30 ساخت کمپانی فیلیپس ازکشور هلند استفاده شد. روکش دهی نانوذرات با طلا به منظور تهیه عکسهای الکترونی با دستگاه لایه گذاری طلا ساخت شرکت Bal-Tek کشور سوئیس استفاده شد.
2-3- روش
ابتدا نیترات سرب را با غلظت 1/. مولار تهیه کرده مقدارcc100 از آن را داخل بالن cc 500 ریخته ومقدار 10 گرم PVP بدان اضافه کرده وپس از حل شدن داخل اولتراسونیک قرار داده ودر دمای C°40 مقدار cc100 کربنات سدیم 2/. مولار به آن اضافه شد. رسوب کربنات سرب سفید رنگ بسرعت تشکیل شد که بعد از یک ساعت، با آب مقطر و اتانول شستشو داده شده و سپس صاف شد. به مدت یک ساعت در داخل اتانول با امواج اولتراسونیک هم زده شد. آنگاه دوباره صاف شده و به مدت 2 ساعت درداخل کوره C°320 گذاشته شد تا با آزاد شدن CO2 تبدیل به PbO شود. بعد از سنتز هر نمونه، ساختار و اندازه ذرات سنتز شده توسط دستگاه میکروسکوپ الکترونی مشاهده و بررسی شد.
3. نتایج وبحث
بهینه سازی شرایط سنتز نانو ذرات اکسید سرب به منظور دسترسی به نانو ساختار منظم با بررسی اثر غلظت واکنشگرها، دما ومقدار PVP بررسی شد.
3-1- اثر حضور امواج اولتراسونیک
با سنتز یک نمونه در حضور امواج اولتراسونیک و یک نمونه دیگر بدون حضور این امواج مشاهده شد که تابش امواج اولتراسونیک بر محلول سنتز اکسید سرب منجر به تشکیل ساختار منظم و ریزتری می شود.
3-2- اثر غلظت واکنشگرها
غلظت نیترات سرب از M 01/0 تا M 1 و غلظت کربنات سدیم از M 02/0 تا M 2 تغییر داده شد و اثر این تغییرات با تهیه عکس میکروسکوپ الکترونی از هر نمونه مشاهده شد. به عنوان نمونه تغییرات ساختار در 2 مورد از نمونه ها نشان داده می شود. هنگامی که سنتز در محلول شامل M 1 نیترات سرب و M 2 مولار کربنات سدیم در دمای C°40 و بدون حضور افزودنی انجام می شود ساختاری مطابق شکل 1 بدست می آید. همان طور که در شکل 1 دیده می شود، ذرات ساختاری ناهماهنگ و اندازه های بزرگتر از 100 نانومتر دارند.
شکل 1. تصویر میکروسکوپ الکترونی نمونه سنتز شده درM 1 نیترات سرب و M 2 کربنات سدیم در دمای C°40 و بدون حضور افزودنی
وقتی از محلول سنتز با غلظت 1/. مولار از نیترات سرب و 2/0 مولار کربنات سدیم در دمای C°40 و بدون حضور افزودنی استفاده می شود، ساختار نمونه به سمت تشکیل نانوذرات سوق داده می شود که تصویر SEM این نمونه در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل 2. تصویر SEM از نمونه سنتز شده در غلظت M 1/. از نیترات سرب و M 2/. کربنات سدیم در دمای C°40 و بدون حضور افزودنی
نتایج حاصل از آزمایشات این قسمت نشان داد که اگر اکسید سرب در محلول حاوی M 1/. از نیترات سرب و M 2/. کربنات سدیم سنتز شود، ساختارهای منظم با اندازه ذراتی کمتر از 100 نانومتر حاصل می شود.
3-3- اثر دمای سنتز
سنتز اکسید سرب در غلظت M 1/. از نیترات سرب و M 2/. کربنات سدیم و بدون حضور افزودنی در چند دمای مختلف در گستره C°0 تا C°70 انجام شد. نتایج نشان داد که در دمای سنتز C°40 ساختار منظم تر با اندازه ریزتر بدست می آید. برای نشان دادن اثر دما، تصاویر SEM دو نمونه از سنتزها در شکل 3 و 4 نشان داده شده است.
شکل 3. تصویر SEM نمونه سنتز شده در دمای صفر درجه شکل 4. تصویر SEM نمونه سنتز شده در دمای C°40
3-4- بررسی اثر افزودنی های مختلف
پس از بهینه سازی اثر غلظت واکنشگرها و دما، سنتز در حضور افزودنی های سدیم دودسیل سولفات (SDS)، سدیم بنزن سولفونات (SDBS)، ستیل تری متیل آمونیوم برمید (CTAB)، پلی وینیل الکل (PVA) و پلی وینیل پیرولیدون (PVP) ]4[ انجام شد. با بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترونی نمونه های حاصل، مشخص شد که بهترین کارآیی مربوط به PVP است به همین دیل این افزودنی به عنوان یک افزودنی جهت دهنده ساختار انتخاب شده و اثر تغییر غلظت آن بر روی مورفولوژی و اندازه ذرات حاصل بررسی شد. غلظت PVP از g/l 5/0 تا g/l 6 تغییر داده شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی سه مورد از نمونه های تهیه شده در حضور مقادیر مختلف PVP در شکلهای 5 تا 7 نشان داده شده است. شکل 5 و 6 تصاویر میکروسکوپ الکترونی نمونه هایی را نشان می دهند که به ترتیب در غلظت g/l 5/0 (کمتر از مقدار بهینه) و g/l 6 (بیشتر از مقدار بهینه) سنتز شده اند. با مقایسه ین دو تصویر با تصویر نشان داده شده در شکل 7 مشخص می شود که در غلظت g/l 1 از جهت دهنده ساختاری PVP پودر اکسید سرب با یک ساختار بسیار منظم و متخلخل و با اندازه ذرات در کستره 20 تا 40 نانومتر بدست می آید.
شکل 5. تصویر SEM نمونه اکسید سرب سنتز شده در حضور g/l 5/0 PVP شکل 6. تصویر SEM نمونه اکسید سرب سنتز شده در حضور g/l 6 PVP
شکل 7. تصویر SEM نمونه اکسید سرب سنتز شده در حضور g/l 1 PVP
نتیجه گیری
با سنتز اکسید سرب در حضور امواج اولتراسونیک و افزودنی PVP ذرات بسیار متخلخل با ساختار بسیار یکنواخت و اندازه ذرات نانومتری حاصل می شود.
منبع:سعید حقدار – شرکت کاراشیمی