Abstrakt

Organische Chemie 2018: Entwicklung des Kationenaustauschs als praktikable Strategie für die Nanopartikelsynthese – P. Gregory Van Patten

 P Gregory Van Patten   

 Halbleiterquantenpunkte (QDs) sind vielversprechende Materialien mit interessanten, größenabhängigen Eigenschaften. Obwohl in den letzten Jahrzehnten einige Modellsysteme (CdSe, PbS und einige andere) entwickelt, optimiert und gründlich untersucht wurden, gibt es noch immer mehrere Hindernisse, die ihre Anwendung in einer Vielzahl von Anwendungen verhindern. Eine der größten Herausforderungen ist die Unfähigkeit, auf eine breite Palette von QD-Materialien mit hervorragender Kontrolle über Größe, Form, Kristallinität und Oberflächenchemie zuzugreifen. Die Kontrolle über diese QD-Eigenschaften ist für die Herstellung hochwertiger Materialien von entscheidender Bedeutung. Da direkte synthetische Ansätze, die eine solche Kontrolle ermöglichen, schwer fassbar waren, haben wir den Kationenaustausch (CE) als Weg zu QDs mit neuen Zusammensetzungen untersucht. Damit CE ein praktikabler Ansatz wird, muss er skalierbar und breit anwendbar sein und bis zum Abschluss durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es wünschenswert, Teilaustausche durchführen zu können, um Legierungen oder Heterostrukturen herzustellen. Ich werde unsere bisherigen Fortschritte bei der Erreichung dieser Ziele zusammenfassen. Die Kationenaustauschkapazität ist definiert als die positive Ladung der Menge, die gegen die Masse des Bodens ausgetauscht werden kann, gemessen in cmolc/kg. Einige Texte verwenden die alten Äquivalenteinheiten me/100g oder meq/100g. Die KAK ist ein Maß für die elektrische Ladung der Mol, so dass eine Kationenaustauschkapazität von 10 cmolc/kg 10 cmol Na+-Kationen pro Kilogramm Boden enthalten könnte, aber nur 5 cmol Ca2+-Einheiten (2 Ladungen) pro Kation. Die Kationenaustauschkapazität ergibt sich aus verschiedenen Oberflächen von Bodenpartikeln, insbesondere denen von Tonmineralien und organischer Substanz. Phyllosilikat-Tone bestehen aus laminierten Schichten von Aluminium- und Siliziumoxiden. Der Ersatz von Aluminium- oder Siliziumatomen durch andere Ladungen kann eine geringere Ladung (z. B. Ersatz von Al3+ durch Mg2+) mit einer Netto-negativen Ladung ergeben. Diese Ladung impliziert keine Deprotonierung und ist daher unabhängig vom pH-Wert und wird als permanente Ladung bezeichnet. Darüber hinaus sind an den Rändern dieser Blätter viele saure Hydroxylgruppen freigelegt, die bei pH-Werten und in vielen Böden zu negativen Ladungen deprotoniert werden. Organisierende Materie hat aufgrund ihrer großen Anzahl geladener funktioneller Gruppen auch einen sehr wichtigen wirtschaftlichen Einfluss auf den Austausch von Kationen. Die KAK ist ein Boden mit hohem Oberflächengehalt, in dem die Tiefe des organischen Stoffgehalts hoch ist und abnimmt. Die KAK von organischem Stoff ist stark vom pH-Wert abhängig. Kationen werden durch die elektrostatische Wechselwirkung zwischen ihrer positiven Ladung und der negativen Ladung der Oberfläche an Bodenoberflächen adsorbiert, behalten jedoch eine Hülle aus Wassermolekülen und bilden keine direkten chemischen Bindungen mit der Oberfläche. Austauschbare Kationen bilden daher einen Teil der diffusen Schicht über der geladenen Oberfläche. Die Bindung ist relativ schwach und ein Kation kann leicht von anderen Kationen aus der umgebenden Lösung von der Oberfläche verdrängt werden. Die Kationenaustauschkapazität wird gemessen, indem alle gebundenen Kationen durch eine konzentrierte Lösung eines anderen Kations verdrängt werden.und dann entweder die verdrängten Kationen oder die Menge des zurückgehaltenen hinzugefügten Kations messen. Barium (Ba2+) und Ammonium (NH4+) werden häufig als Austauschkationen verwendet, obwohl viele andere Methoden verfügbar sind. Anorganische kolloidale Nanokristalle (ICNC) werden aufgrund ihrer abstimmbaren optischen und elektronischen Eigenschaften durch genau kontrollierte Zusammensetzungen und Morphologien ermöglicht. In letzter Zeit wurden viele Strategien zur direkten Synthese von ICNCs gemeldet, wie Heißinjektion und hydrothermale Methoden. Obwohl eine Vielzahl hochwertiger ICNCs und unterschiedlicher Morphologien erhalten wurden, sind hochwertige ICNCs für begrenzte Kompetenzen, wie Quantenpunkte (QD) für Deep Site Engineering, fortschrittliche hybride Halbleiter-Nanokristalle (NC) mit Hetero-Interface-Engineering und Perowskit, stabile und anpassbare Lumineszenz mit NC, erforderlich. Die oben genannten ICNCs haben verbesserte Nanostrukturen mit einem breiten Anwendungsspektrum für verbesserte Eigenschaften, wie lumineszierender Solarkonzentrator, Photokatalyse und Superkondensator. Um ICNCs mit wohldefinierten Heterostrukturen zu steuern, wurden viele Strategien entwickelt, wie galvanischer Ersatz, Flüssigkeitsexfolierung und axipaxiales Wachstum. Unter diesen Methoden wurden Kationen-/Anionenaustauschreaktionen (CER/AER) entwickelt, um Zusammensetzungen und Strukturen mit synthetisierenden ICNCs zu formulieren. In den letzten 5 Jahren wurden dotierte NCs