Особенности формирования иерархических пористых наночастиц оксида никеля методом зеленого синтеза

Введение. Пористые наночастицы оксидов металлов имеют большое научно-технологическое значение и широкий спектр применения. Для получения таких материалов применяются методы соосаждения, золь-гель, а также микроэмульсионные, гидротермальные, парофазные и другие методы. В настоящее время для синтеза пористых наночастиц оксидов металлов разрабатываются методы зеленого синтеза с применением экстрактов растений.

Цель работы. Разработка масштабируемой методики получения пористых наночастиц оксида никеля с высокой удельной площадью поверхности. Исследование особенностей формирования иерархических пористых наночастиц оксида никеля методом зеленого синтеза.

Материалы и методы. Методом зеленого синтеза с применением экстракта дымянки лекарственной получены наночастицы оксида никеля. Химический состав и микроструктура поверхности исследованы с помощью рентгенофазового анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Для исследования параметров полученной пористой структуры, таких, как удельная площадь поверхности, объем и размер пор, использовали метод тепловой десорбции и метод Брунауэра–Эммета–Теллера.

Результаты. Методом зеленого синтеза с применением экстракта растения получены крупные пористые агломераты размерами от нескольких до десятков микрометров. Показано, что изменением частоты центрифугирования можно варьировать удельную площадь поверхности структур (до значений Sуд = 130 м² /г). Также показано, что удельной площадью поверхности частиц можно управлять температурой отжига. При выборе оптимальной температуры возможно полное (почти полное) удаление органических лигандов, стабилизирующих наночастицы. Предложена модель получения развитой пористой структуры при зеленом синтезе.

Заключение. Методом зеленого синтеза с применением экстракта дымянки лекарственной были получены иерархические пористые наночастицы оксида никеля, разработана методика получения этих наночастиц с высокой удельной площадью поверхности. Показано, что такие технологические параметры, как частота центрифугирования и температура отжига, существенно влияют на строение и удельную площадь поверхности пористых наночастиц оксида никеля. Системы из пористых наночастиц перспективны для применения в качестве катализаторов, адсорбентов, электродов и магнитных и фотоэлектрических материалов. Также такие агрегированные наночастицы перспективны для применения в инкорпорированных и инкапсулированных нанокомпозитах и для создания специализированных ростовых платформ.

1. Porous Inorganic Nanomaterials: Their Evolution towards Hierarchical Porous Nanostructures / A. Jose, T. Mathew, N. Fernández-Navas, C. J. Querebillo // Micro. 2024. Vol. 4, № 2. P. 229–280. doi: 10.3390/micro4020016

2. Bridging the Gap Between Single Atoms, Atomic Clusters and Nanoparticles in Electrocatalysis: Hierarchical Structured Heterogeneous Catalysts / D. Bhalothia, A. Beniwal, P. K. Saravanan, P.-C. Chen, T.-Y. Chen // ChemElectroChem. 2024. Vol. 11, iss. 10. P. e202400034. doi: 10.1002/celc.202400034

3. Gerber I. C., Serp P. A theory/experience description of support effects in carbon-supported catalysts // Chemical Reviews. 2019. Vol. 120, iss. 2. P. 1250–1349. doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00209

4. Porous silicon with embedded metal oxides for gas sensing applications / V. A. Moshnikov, I. Gracheva, A. S. Lenshin, Yu. M. Spivak, M. G. Anchkov, V. V. Kuznetsov, J. M. Olchowik // J. of non-crystalline solids. 2012. Vol. 358, iss. 3. P. 590–595. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2011.10.017

5. Surface functionality features of porous silicon prepared and treated in different conditions / Yu. M. Spivak, S. V. Mjakin, V. A. Moshnikov, M. F. Panov, A. O. Belorus, A. A. Bobkov // J. of Nanomaterials. 2016. Vol. 2016, iss. 1. P. 2629582. doi: 10.1155/2016/2629582

6. Mai H. D., Rafiq K., Yoo H. Nano metal‐organic framework‐derived inorganic hybrid nanomaterials: synthetic strategies and applications // Chemistry–A European J. 2017. Vol. 23, iss. 24. P. 5631–5651. doi: 10.1002/chem.201604703

7. Notario B., Pinto J., Rodriguez-Perez M. A. Nanoporous polymeric materials: A new class of materials with enhanced properties // Progress in Materials Science. 2016. Vol. 78. P. 93–139. doi: 10.1016/ j.pmatsci.2016.02.002

8. Pal N. Nanoporous metal oxide composite materials: A journey from the past, present to future // Advances in colloid and interface science. 2020. Vol. 280. P. 102156. doi: 10.1016/j.cis.2020.102156

9. Nanocrystalline CeO2 increases the activity of Au for CO oxidation by two orders of magnitude / S. Carrettin, P. Concepción, A. Corma, J. M. López Nieto, V. F. Puntes // Angewandte Chemie International Edition. 2004. Vol. 43, iss. 19. P. 2538–2540. doi: 10.1002/anie.200353570

10. Skandan G., Singhal A. Perspectives on the science and technology of nanoparticle synthesis // Nanomaterials handbook. 2006. P. 13–28. doi: 10.1201/9781420004014.ch2

11. Pt and Pd Nanoparticle Crystallization in the SolGel-Derived Thin SiO2 Films / N. Gubanova, V. Matveev, E. Grebenshchikova, D. Kirilenko, Y. Sazonova, O. Shilova // Physchem. 2023. Vol. 3, iss. 2. P. 259– 269. doi: 10.3390/physchem3020018

12. Adelere I. A., Lateef A. A novel approach to the green synthesis of metallic nanoparticles: the use of agro-wastes, enzymes, and pigments // Nanotechnology Reviews. 2016. Vol. 5, iss. 6. P. 567–587. doi: 10.1515/ntrev-2016-0024

13. Green synthesis of nanoparticles and its potential application / I. Hussain, N. B. Singh, A. Singh, H. Singh, S. C. Singh // Biotechnology Let. 2016. Vol. 38. P. 545–560. doi: 10.1007/s10529-015-2026-7

14. Hierarchically porous materials: synthesis strategies and structure design / X.-Y. Yang, L.-H. Chen, Y. Li, J. C. Rooke, C. Sanchez, B.-L. Su // Chemical Society Reviews. 2017. Vol. 46, № 2. P. 481–558. doi: 10.1039/C6CS00829A

15. Бобков А. А., Кононова И. Е., Мошников В. А. Материаловедение микро- и наносистем. Иерархические структуры. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2017. 202 c.

16. Hierarchically structured porous materials: synthesis strategies and applications in energy storage / L. Wu, Y. Li, Zh. Fu, B.-L. Su // National science review. 2020. Vol. 7, iss. 11. P. 1667–1701. doi: 10.1093/nsr/nwaa183

17. Chen L. H., Li Y., Su B. L. Hierarchy in materials for maximized efficiency // National Science Review. 2020. Vol. 7, iss. 11. P. 1626–1630. doi: 10.1093/nsr/nwaa251

18. Universal Murray’s law for optimised fluid transport in synthetic structures / B. Zhou, Q. Cheng, Z. Chen, Z. Chen, D. Liang, E. A. Munro, G. Yun, Y. Kawai, J. Chen, T. Bhowmick, P. K. Kannan, L. G. Occhipinti, H. Matsumoto, J. W. Gardner, B.-L. Su, T. Hasan // Nature Communications. 2024. Vol. 15, № 1. Art. no. 3652. doi: 10.1038/s41467-024-47833-0

19. Kononova I., Kononov P., Moshnikov V. Stepby-step modeling and experimental study on the SolGel porous structure of percolation nanoclusters // Coatings. 2023. Vol. 13, iss. 2. P. 449. doi: 10.3390/coatings13020449

20. The architectonics features of heterostructures for IR range detectors based on polycrystalline layers of lead chalcogenides / Yu. M. Spivak, I. E. Kononova, P. V. Kononov, V. A. Moshnikov, S. A. Ignat’ev // Crystals. 2021. Vol. 11, iss. 9. P. 1143. doi: 10.3390/cryst11091143

21. Maji S., Shrestha L. K., Ariga K. Nanoarchitectonics for hierarchical fullerene nanomaterials // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, iss. 8. P. 2146. doi: 10.3390/nano11082146

22. Impedance spectroscopy of hierarchical porous nanomaterials based on por-Si, por-Si incorporated by Ni and metal oxides for gas sensors / A. Bobkov, V. Luchinin, V. Moshnikov, S. Nalimova, Yu. Spivak // Sensors. 2022. Vol. 22, iss. 4. P. 1530. doi: 10.3390/s22041530

23. Ariga K. Progress in molecular nanoarchitectonics and materials nanoarchitectonics // Molecules. 2021. Vol. 26, iss. 6. P. 1621. doi: 10.3390/molecules26061621

24. Porous nanorods by stacked NiO nanoparticulate exhibiting corn-like structure for sustainable environmental and energy applications / V. Manjunath, S. Bimli, D. Singh, R. Biswas, P. N. Didwal, K. K. Haldar, N. G. Deshpande, P. A. Bhobe, R. S. Devan // RSC advances. 2023. Vol. 13, iss. 32. P. 21962–21970. doi: 10.1039/D3RA03209D

25. Synthesis and electrochemical properties of mesoporous nickel oxide / W. Xing, F. Li, Z. Yan, G. Q. Lu // J. of power sources. 2004. Vol. 134, iss. 2. P. 324–330. doi: 10.1016/j.jpowsour.2004.03.038

26. Farhadi S., Kazem M., Siadatnasab F. NiO nanoparticles prepared via thermal decomposition of the bis (dimethylglyoximato) nickel (II) complex: A novel reusable heterogeneous catalyst for fast and efficient microwave-assisted reduction of nitroarenes with ethanol // Polyhedron. 2011. Vol. 30, iss. 4. P. 606–613. doi: 10.1016/j.poly.2010.11.037

27. NiO nanorings and their unexpected catalytic property for CO oxidation / D. Wang, R. Xu, X. Wang, Y. Li // Nanotechnology. 2006. Vol. 17, № 4. P. 979. doi: 10.1088/0957-4484/17/4/023

28. Morphology effects on electrocatalysis of anodic water splitting on nickel (II) oxide / Z. Wu, M. Vagin, R. Boyd, B. Bakhit, G. Greczynski, M. Odén, E. M. Björk // Microporous and Mesoporous Materials. 2022. Vol. 333. P. 111734. doi: 10.1016/j.micromeso.2022.111734

29. Pat. KR101635552B1 G01N27/3271. Nickel Oxide Nanostructures with High Surface Area and Its Application for Urease-based Biosensor. Publ. 01.07.2016.

30. Kundu M., Liu L. Electrospun porous nickel oxide nanofibers for high-performance electrochemical energy storage // J. Nanosci. Let. 2015. Vol. 5. P. 11–18.

31. Etefa H. F., Nemera D. J., Dejene F. B. Green synthesis of nickel oxide NPs incorporating carbon dots for antimicrobial activities // ACS omega. 2023. Vol. 8, iss. 41. P. 38418–38425. doi: 10.1021/acsomega.3c05204

32. Green synthesis of NiO nanoparticles using Aloe vera gel extract and evaluation of antimicrobial activity / B. Ahmad, M. I. Khan, M. A. Naeem, A. Alhodaib, M. Fatima, M. Amami, E. A. Al-Abbad, A. Kausar, N. Alwadai, A. Nazir, M. Iqbal // Materials Chemistry and Physics. 2022. Vol. 288. P. 126363. doi: 10.1016/j.matchemphys.2022.126363

33. Biosynthesis of NiO nanoparticles using Spirogyra sp. cell-free extract and their potential biological applications / Y. Singh, R. S. Sodhi, P. P. Singh, S. Kaushal // Materials Advances. 2022. Vol. 3, iss. 12. P. 4991–5000. doi: 10.1039/D2MA00114D

34. Mohammed M., Alkhazraji A. H. Synthesis and Characterization of Nickel Oxide Nanoparticles by Green as well as Chemical Routes and Comparisons their Properties // Iraqi J. of Natural Sciences and Nanotechnology. 2023. Vol. 4, iss. 1. P. 54–63. doi: 10.47758/ijn.v4i0.92

35. Получение наночастиц никеля методом "зеленого" синтеза / К. Халугарова, А. С. Комолов, Ю. М. Спивак, В. А. Мошников, В. М. Кондратьев // Материалы науч.-техн. конф. "Микроэлектроника и информатика", Зеленоград, 20–21 апр. 2023 / Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники ". М., 2023. С. 273–278.

36. Investigation of Particles Obtained by Green Synthesis Using Plant Extract / K. Khalugarova, V. M. Kondratev, A. Kuznetsov, A. Yu. Gagarina // Seminar on Microelectronics, Dielectrics and Plasmas (MDP), St Petersburg, Russia, 20 Nov. 2023. IEEE, 2023. P. 60–62. doi: 10.1109/MDP60436.2023.10424367

37. Maraeva E., Khalugarova K. Size analysis based on sorption study data for hydroxyapatite nanoparticles // Materials science forum. 2021. Vol. 1031. P. 172–177. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.1031.172

38. Khalugarova K. N., Maraeva E. V., Moshnikov V. A. Study on the processes of nitrogen adsorption and capillary condensation in the powders of calcium hydroxyapatite // J. of Physics: Conf. Ser. 2019. Vol. 1400, iss. 3. P. 033003. doi: 10.1088/1742-6596/1400/3/033003

39. Everett D. H. Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units, Appendix II: Definitions, Terminology and Symbols in Colloid and Surface Chemistry // Pure and Applied Chemistry. 1972. Vol. 31. P. 577–638. doi: 10.1351/pac197231040577

40. Richardson J. T., Scates R., Twigg M. V. X-ray diffraction study of nickel oxide reduction by hydrogen // Applied Catalysis A: General. 2003. Vol. 246, iss. 1. P. 137–150. doi: 10.1016/S0926-860X(02)00669-5

41. Кононова И. Е., Мошников В. А., Кононов П. В. Моделирование трехмерных пористых иерархических материалов, организованных посредством самосборки наносфер // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2017. №. 5. С. 54–63.

42. Золь-гель технология микро- и нанокомпозитов / В. А. Мошников, Ю. М. Таиров, Т. В. Хамова, О. А. Шилова. СПб.: Лань, 2013. 304 с.

43. Crystal growth by oriented attachment: kinetic models and control factors / X. Xue, R. L. Penn, E. R. Leite, F. Huanga, Z. Lin // CrystEngComm. 2014. Vol. 16, iss. 8. P. 1419–1429. doi: 10.1039/C3CE42129E