Pendekatan Mudah untuk Pembuatan Seng Oksida Ukuran Nano dalam Air/Gliserol dengan Sumber Seng Sangat Terkonsentrasi

Hasil dan Diskusi

Pengaruh Rasio Mol Gliserol Terhadap Zn ²⁺ pada Ukuran dan Morfologi Nanopartikel ZnO

Pertama, peran gliserol dalam sintesis nanopartikel ZnO dipelajari. Pengaruh perbandingan mol gliserol terhadap Zn ²⁺ pada morfologi nanopartikel ZnO diselidiki. Gambar 1 menunjukkan pengaruh rasio mol gliserol terhadap Zn ²⁺ pada morfologi nanopartikel ZnO, karena reaktannya adalah 65 wt% ZnCl₂ dan 50% berat NaOH dalam air. Rupanya, ukuran nanopartikel ZnO yang dibuat tanpa gliserol (Gbr. 1a) jauh lebih besar daripada yang dibuat dengan penstabil gliserol (Gbr. 1b-e) di bawah konsentrasi ZnCl yang sama₂ . Nanopartikel ZnO yang dibuat tanpa gliserol terbukti heterogen (Gbr. 1a). Hasil ini menunjukkan bahwa gliserol sebagai penstabil berperan penting dalam pembentukan struktur nano ZnO. Ketika rasio mol gliserol terhadap Zn ²⁺ adalah 0,33, ZnO yang diperoleh terdiri dari beberapa partikel globular dan banyak batang ZnO, dengan panjang kira-kira 180 nm dan diameter 30 nm; rasio aspek nanopartikel ZnO berbentuk batang kira-kira 6 (Gbr. 1b). Ketika rasio mol gliserol terhadap Zn ²⁺ meningkat menjadi 1 dan 1,67, ZnO yang diperoleh berbentuk bulat, dengan diameter kira-kira 40–80 nm dan 30–60 nm (Gbr. 1c dan Gbr. 1d). Selain itu, nanopartikel ZnO yang seragam dan berbentuk bulat dengan diameter sekitar 20 nm diperoleh pada rasio 3,33 mol gliserol terhadap Zn ²⁺ (Gbr. 1e). Dapat disimpulkan bahwa gliserol memainkan peran penting dalam prosedur sintesis yang dijelaskan dalam karya ini.

Gambar SEM nanopartikel ZnO diperoleh dari 65% ZnCl₂ larutan berair di bawah rasio mol yang berbeda dari gliserol ke Zn ²⁺ (a , 0:1; b , 0.33:1; c , 1:1; d , 1,67:1; e , 3.33:1) dan (f ) tabel statistik morfologi dan ukuran nanopartikel ZnO (g ^* :bulat, r ^# :batang)

Ketika konsentrasi ion seng dan OH ⁻ meningkat tanpa stabilizer, inti ZnO yang lewat jenuh akan lebih mudah beragregasi, menumbuhkan nanopartikel ZnO yang lebih besar dan heterogen (lihat dari Gambar 2(I)). Gliserol memiliki tiga gugus hidroksil, yang dengannya ion seng dapat berinteraksi untuk membentuk kompleks seng-gliserol. Ketika larutan NaOH ditambahkan, kompleks seng-gliserol bereaksi dengan OH ⁻ membentuk Zn(OH)₄ ²⁻ di sekitar gugus hidroksil gliserol. Kemudian, Zn(OH)₄ ²⁻ dehidrasi menjadi ZnO dekat gliserol. Sementara itu, konsentrasi NaOH yang tinggi (50 wt%) menyebabkan ledakan nukleasi homogen awal kristal ZnO, dan inti ZnO lewat jenuh berkumpul di dekat gliserol, yang bertindak sebagai penstabil. Seperti yang terlihat pada Gambar 2(II), pada kandungan gliserol yang rendah dalam sistem gliserol/air, efek penghambatan gliserol berkurang, artinya karena gliserol yang lebih sedikit mencegah pertumbuhan dan aglomerasi ZnO dalam sistem reaksi, hasil yang dihasilkan Nanopartikel ZnO tidak rata dan memiliki ukuran yang lebih besar. Sementara itu, dengan kandungan gliserol yang tinggi, kombinasi gugus hidroksil dari gliserol dan ion seng sangat mengurangi konsentrasi ion seng yang tidak terikat. Peningkatan efek pemblokiran gliserol menyebabkan ZnO menjadi lebih seragam dan menunjukkan ukuran terkecil (dilihat dari Gambar 2(III)). Faktanya, morfologi ZnO dapat dikontrol dengan rasio mol gliserol terhadap Zn ²⁺ . Singkatnya, gliserol bekerja sebagai penghambat aglomerasi dan penstabil ZnO berukuran nano dalam kondisi sumber seng yang sangat pekat dan larutan basa.

Presentasi skema peran gliserol dalam proses sintesis nanopartikel ZnO

Nanopartikel ZnO dikarakterisasi dengan spektrofotometri TEM, XPS, XRD, dan UV-visible. Gambar 3 mengilustrasikan bahwa sebagian besar batang ZnO (dengan beberapa partikel globular) diperoleh dari rasio 0,33 mol gliserol terhadap Zn ²⁺ pada konsentrasi 65 berat ZnCl₂ . Batang ZnO memiliki rentang panjang yang lebar dari 20 hingga 160 nm, yaitu karena pertumbuhan arah yang tidak merata yang muncul dalam proses. Partikel ZnO globular dengan diameter sekitar 40–50 nm diperoleh saat rasio mol gliserol terhadap Zn ²⁺ adalah 1 dan konsentrasi ZnCl₂ adalah 65 berat dalam larutan berair. Selanjutnya, diperoleh nanopartikel ZnO yang seragam dan berbentuk bulat dengan diameter sekitar 15–25 nm dari rasio mol gliserol terhadap Zn 3,33 ²⁺ ketika konsentrasi ZnCl₂ larutan berair adalah 65 berat. Hasil ini konsisten dengan hasil SEM (Gbr. 1). Lebih lanjut dikonfirmasi bahwa gliserol memiliki efek penting pada persiapan nanopartikel ZnO. Selain itu, nanopartikel ZnO dapat dihasilkan dengan adanya gliserol menggunakan konsentrasi ZnCl₂ yang relatif tinggi. larutan berair pada suhu kamar.

Gambar TEM nanopartikel ZnO yang diperoleh dari rasio mol yang berbeda dari gliserol terhadap Zn ²⁺ (a , 0.33:1; b , 1:1; c , 3.33:1). a-1, a-2 histogram yang sesuai dari (a ) Sampel; b-1, c-1 histogram yang sesuai dari (b ) dan (c ) sampel masing-masing

Komposisi unsur dan ikatan kimia sampel ZnO dianalisis lebih lanjut dengan teknik XPS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Puncak Zn 3d, Zn 3p, Zn 3, Zn Auger, dan Zn 2p selain puncak C1s dan O1s diidentifikasi dalam Gambar 4a. Keberadaan puncak C1s menunjukkan sedikit sisa gliserol dalam tiga nanopartikel ZnO. Spektrum Zn 2p menunjukkan doublet (Gbr. 4b), yang dapat diidentifikasi sebagai garis Zn 2p3/2 dan Zn 2p1/2, masing-masing. Perbedaan energi ikat antara kedua garis adalah 23,0 eV (dari rasio mol gliserol ke Zn ²⁺ 0.33:1 dan 3.33:1) atau 23.1 eV (dari rasio mol gliserol ke Zn ²⁺ 1:1), yang menegaskan bahwa atom Zn berada dalam keadaan teroksidasi sempurna di semua sampel. Gambar 4c menunjukkan spektra XPS resolusi tinggi O1 dari ZnO. Untuk partikel ZnO batang atau globular, semua puncak yang ditunjukkan pada sekitar 530,4 eV dikaitkan dengan ion logam teroksidasi dalam nanopartikel, yaitu, O-Zn dalam kisi ZnO.

Spektrum XPS nanopartikel ZnO diperoleh dari rasio mol gliserol yang berbeda terhadap Zn ²⁺ (a , lebar; b , Zn-2p; c , O-1s)

Hanya puncak difraksi yang khas dari struktur kristal ZnO wurtzite yang dapat dilihat pada Gambar 5a. Spektrum serapan UV-vis dari nanopartikel ZnO ditunjukkan pada Gambar. 5b. Nanopartikel ZnO menunjukkan penyerapan yang luas dan kuat, dengan maksimum sekitar 380 nm. Gambar tersebut menunjukkan bahwa ZnO murni berukuran nano dapat dibuat dari sumber seng pekat dan penstabil gliserol serta templat. Selanjutnya, nanopartikel ZnO memiliki sifat menghalangi UV. Oleh karena itu, nanopartikel ZnO yang dibuat dari pendekatan kami memiliki aplikasi potensial dalam krim matahari atau bahan pelapis.

Pola XRD (a ) dan spektrum penyerapan UV-vis (b ) dari partikel nano ZnO

Pengaruh Konsentrasi ZnCl₂ Solusi Berair pada Ukuran dan Morfologi Nanopartikel ZnO

Nanopartikel ZnO globular dapat dibuat melalui 65 dan 50% berat ZnCl₂ dan larutan NaOH, masing-masing, pada rasio 1:1 mol gliserol terhadap Zn ²⁺ (Gbr. 1c). Untuk mengetahui pengaruh konsentrasi ZnCl₂ pada ukuran dan morfologi partikel nano ZnO, larutan NaOH 50% berat dan rasio mol gliserol 1:1 terhadap Zn ²⁺ dipekerjakan.

Gambar 6 menunjukkan bahwa konsentrasi ZnCl₂ dalam larutan memiliki efek yang jelas pada bentuk dan ukuran nanopartikel ZnO. Bentuk ZnO berubah dari batang menjadi bulat karena konsentrasi ZnCl₂ meningkat di bawah obstruksi dengan gliserol sebagai stabilizer. Pada pendekatan yang disajikan, bentuk nanopartikel ZnO berubah, dan ukuran partikel menurun ketika konsentrasi ZnCl₂ larutan berair meningkat (dengan kata lain, rasio hidrasi menurun). Hasil yang diperoleh dalam sistem ini menyajikan gliserol sebagai penstabil karena, jika tidak, nanopartikel ZnO yang homogen tidak dapat dibuat dari sumber seng yang sangat pekat (lihat Gambar 1a). Untuk konsentrasi ZnCl 50% berat₂ (rasio hidrasi 7,56), batang ZnO yang diperoleh memiliki panjang sekitar 130 nm dan diameter 30-70 nm (Gbr. 6a). Bila konsentrasi ZnCl₂ larutan berair meningkat menjadi 65 % berat (rasio hidrasi menurun menjadi 4,07), ZnO yang diperoleh berbentuk bulat, dengan diameter kira-kira 40-80 nm (Gbr. 6b). Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c, nanopartikel ZnO yang seragam dan berbentuk bulat dengan diameter sekitar 40 nm diperoleh dari 80 % berat ZnCl₂ larutan berair (rasio hidrasi 1,89). Morfologi ZnO sebenarnya dapat dikontrol dengan konsentrasi ZnCl₂ larutan berair (atau rasio hidrasi). Hasilnya konsisten dengan Poul et al. [31]. Namun, dalam proses poliolnya, DEG berfungsi sebagai pelarut, dan konsentrasi prekursor ZnO yang rendah (lebih rendah dari 0,3 M) pada titik didih DEG digunakan. Selain itu, nanopartikel ZnO yang tidak merata dan lebih besar dibuat tanpa adanya gliserol pada konsentrasi ZnCl 65% berat₂ (Gbr. 1a). Dalam penelitian ini, nanopartikel ZnO diperoleh dengan menggunakan konsentrasi yang relatif tinggi (80 wt%, yaitu, 29,3 M) ZnCl₂ pada suhu kamar. Selain itu, dengan adanya gliserol, ukuran nanopartikel ZnO menurun seiring dengan konsentrasi ZnCl₂ larutan berair meningkat, yang tidak setuju dengan hasil sebelumnya. Bisa jadi karena konsentrasi ZnCl₂ meningkat (kurang air) dalam pendekatan kami, kemampuan interaksi ion seng dan oksigen hidroksil gliserol meningkat, yang berarti bahwa efek pemblokiran gliserol ditingkatkan, menghasilkan nanopartikel ZnO yang lebih kecil.

Citra SEM nanopartikel ZnO diperoleh dari konsentrasi ZnCl yang berbeda₂ larutan berair di bawah rasio mol 1:1 gliserol terhadap Zn ²⁺ (a , 50 % berat; b , 65 % berat; c , 80 berat)

Pengaruh Hidroksida Terhadap Ukuran dan Morfologi Nanopartikel ZnO

Pengaruh jenis hidroksida pada ukuran dan morfologi nanopartikel ZnO juga diselidiki di bawah obstruksi dengan gliserol sebagai penstabil. Tujuannya adalah untuk mempersiapkan nanopartikel ZnO dengan konsentrasi zat tertinggi dalam penelitian ini. Oleh karena itu, larutan jenuh NaOH, KOH, LiOH, dan NH₄ OH dibuat pada suhu kamar:LiOH pada 8 berat (3,63 M), NaOH pada 50% berat (25 M), KOH pada 60 berat (26,74 M), dan amonia pada 25% berat (9,51 M). Sementara itu, untuk menghasilkan nanopartikel ZnO yang lebih merata dan lebih kecil, rasio mol gliserol 3,33:1 terhadap Zn ²⁺ dipekerjakan.

Gambar 7 menunjukkan gambar SEM nanopartikel ZnO yang diperoleh dari 65% ZnCl₂ larutan berair melalui reaksi dengan berbagai hidroksida. Hasil penelitian menunjukkan bahwa hidroksida memiliki pengaruh yang jelas pada ukuran nanopartikel ZnO. Nanopartikel ZnO diperoleh dari NaOH, KOH, LiOH, dan NH₄ OH semuanya granular, dan ukuran nanopartikel ZnO sekitar 20 nm dari NaOH, 50 nm dari KOH, 80–150 nm dari LiOH, dan 50–300 nm dari NH₄ OH, masing-masing. Dapat diusulkan bahwa karena konsentrasi tinggi ZnCl₂ larutan (65% berat) dan hidroksida, pembentukan ZnO sangat cepat selama tahap nukleasi awal, menghasilkan banyak inti ZnO di dekat gliserol. Sedangkan kation seperti Na ⁺ , K ⁺ , Li ⁺ , atau NH₄ ⁺ , dapat memberikan lapisan pasif di sekitar permukaan ZnO, memperlambat pertumbuhan nanopartikel ZnO dan mencegah aglomerasi partikel. Urutan jari-jari kationik terhidrasi adalah Li ⁺ > Na ⁺ > NH₄ ⁺ > K ⁺ . Konsentrasi K ⁺ . yang lebih tinggi atau NH₄ ⁺ daripada Li ⁺ atau Na ⁺ diperlukan untuk memberikan pasivasi yang hampir sempurna pada permukaan ZnO. Selain itu, konsentrasi saturasi LiOH dan air amonia adalah 3,63 dan 9,51 M, jauh lebih rendah dibandingkan NaOH (25 M), dan KOH (26,74 M). Jumlah Li ⁺ dan NH₄ ⁺ tidak dapat memberikan pasivasi yang hampir sempurna pada permukaan ZnO, menghambat pertumbuhan nanopartikel ZnO lebih lanjut. Selain itu, konsentrasi LiOH dan air amonia rendah, artinya semakin banyak air mengurangi kemampuan interaksi ion seng dan oksigen hidroksil dari gliserol, sehingga secara bersamaan mengurangi efek penghambatan gliserol. Oleh karena itu, nanopartikel ZnO diperoleh dari LiOH dan NH₄ OH lebih besar.

Gambar SEM nanopartikel ZnO diperoleh dari 65% ZnCl₂ larutan berair dengan reaktivitas dengan berbagai hidroksida (a , NaOH; b , KOH; c , LiOH; d , NH₄ OH)

Persiapan Penghambat Nanopartikel ZnO Oleh Sistem Gliserol, Pati, atau Selulosa

Dalam penelitian kami sebelumnya, nanopartikel ZnO dibuat melalui sintesis in situ ZnO dalam pati terlarut atau selulosa oleh ZnCl₂ yang sangat pekat. larutan berair [28, 29]. Sistem gliserol dibandingkan dengan sistem pati atau selulosa terlarut dalam makalah ini. Seperti yang terlihat dari Gambar. 8, nanopartikel ZnO berbentuk bulat dari ketiga proses. Nanopartikel ZnO yang diperoleh dari pati terlarut atau sistem selulosa masing-masing berukuran 50-60 nm [28] atau 40-50 nm [29], sedangkan yang diperoleh dari sistem gliserol adalah 15-25 nm. Nanopartikel ZnO yang lebih seragam dan lebih kecil dapat dibuat dari sistem gliserol. Meskipun ada banyak hidroksil pada rantai molekul pati dan selulosa, ada tiga hidroksil pada rantai gliserol, viskositas seng-selulosa atau komposit seng-pati lebih tinggi daripada seng-gliserol. Jadi pabrik koloid membuat komposit seng-gliserol atau ZnO-gliserol lebih mudah menjadi tetesan yang lebih kecil daripada ZnO-selulosa atau pati ZnO, menghasilkan nanopartikel ZnO yang lebih kecil yang dihasilkan dari sistem gliserol.

Gambar TEM nanopartikel ZnO diperoleh dari 65% ZnCl₂ obstruksi larutan berair oleh gliserol (a ), pati (b ), dan selulosa (c ) sistem

Dalam sistem pati atau selulosa terlarut, pati atau selulosa dilarutkan dalam ZnCl yang sangat pekat₂ larutan berair, dan kemudian nanokomposit pati ZnO atau selulosa dihasilkan ketika larutan NaOH 40 % berat ditambahkan ke dalam ZnCl₂ larutan air. Nanopartikel ZnO diperoleh dengan mengkalsinasi pati ZnO kering atau nanokomposit selulosa. Untuk sistem gliserol, gliserol ditambahkan ke dalam ZnCl pekat₂ larutan air. Nanopartikel ZnO mudah diperoleh karena larutan NaOH 50% berat ditambahkan ke dalam gliserol-ZnCl₂ larutan air. Oleh karena itu, proses menggunakan sistem gliserol lebih mudah dan hemat biaya.