[論文レビュー] Microwave Assisted Hydrothermal Synthesis of Nanoparticles

Rainer Schmidt, Jesús Prado‐Gonjal+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2022

Zeolite Catalysis and Synthesis被引用数 10

ひとこと要約

このレビューでは、高出力の結晶性、制御された形態、短縮された合成時間を持つ高品質ナノ粒子を生産するグリーンでエネルギー効率の良い方法として、マイクロ波支援水熱合成を検討する。マイクロ波加熱と水熱条件を組み合わせることで、急速かつ均一な加熱が可能になり、従来の方法と比較して粒子のサイズ制御や新しい結晶構造の形成が向上する。

ABSTRACT

The general topic of energy is regarded to be one of the most important areas for any research and development activities at the start of the twentyfirst century. Therefore, large research efforts are already based on or will be targeted on the development of clean fuels to replace fossil fuels, the improvement of the existing resources and the discovery of new sustainable energy resources, the establishment of new efficient ways to store sustainable energy, and the replacement of the existing high energy consuming technologies with the more energy efficient ones. The latter concept has resulted in considerable efforts recently to renovate the conventional synthetic chemical industry by introducing new green chemistry concepts, where the energy requirements for chemical processing or synthesis would be drastically reduced. In this context, a vast amount of novel chemical synthesis techniques have been developed during the last decades. Such innovative techniques include combustion, sol gel and coprecipitation methods, sonochemistry, hydrothermal synthesis, and microwave-assisted techniques. Significant qualitative drawbacks in materials synthesized by such novel ways in terms of crystal quality and physical properties are usually not encountered. In some cases, even quantitative improvements, novel crystal arrangements, and interesting particle shapes can be achieved. The concept of combining several of the recently developed nonconventional and innovative synthesis techniques is an interesting concept to even further reduce the energy requirements and particle sizes as compared to one technique alone. Microwave assisted combustion and sol gel synthesis are now employed frequently, as well as the combination of hydrothermal and microwave assisted synthesis, where the latter technique is the topic of this review.

研究の動機と目的

• 従来のナノ粒子合成法に対する持続可能な代替手段として、マイクロ波支援水熱合成を評価すること。
• マイクロ波エネルギーと水熱条件の相乗効果が反応速度論と材料品質をどのように向上させるかを分析すること。
• 従来の技術と比較して、結晶品質、粒子形態、エネルギー効率における主な利点を特定すること。
• さらなるエネルギー削減とナノ材料最適化のための非伝統的合成法の組み合わせの可能性を強調すること。

提案手法

• 本レビューは、反応パラメータ（温度、圧力、放射時間など）に焦点を当てた、マイクロ波支援水熱合成に関する最近の研究の知見を統合する。
• 水溶液または溶媒系系において、核生成と結晶成長を促進する急速・体積加熱を実現するマイクロ波エネルギーの使用を検討する。
• 密封された反応器内で高温・高圧の水熱条件をマイクロ波放射と統合し、反応を加速する手法を提示する。
• 基本原則には、極性分子やイオンの選択的加熱があり、これにより質量移動が速まり反応の均一性が向上する。
• 結晶性や粒子サイズ分布の向上を評価するために、従来の水熱法およびマイクロ波単独法と比較する。
• 相の純度、形態制御、新しい結晶構造の形成といった材料別の成果を含む分析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロ波支援水熱合成は、従来の水熱法と比較して反応速度論をどのように向上させるか？
• RQ2 マイクロ波放射は、合成ナノ粒子の結晶性および相の純度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 この手法は、材料品質を維持または向上させながら、合成時間およびエネルギー消費をどの程度短減できるか？
• RQ4 マイクロ波と水熱法の組み合わせは、粒子サイズ、形状、表面特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 このハイブリッド合成法を用いることで、どのような新しい結晶構造や形態が達成可能か？

主な発見

• マイクロ波支援水熱合成は、従来の水熱法と比較して反応時間を顕著に短縮し、迅速な核生成と成長を可能にする。
• 急速かつ均一な加熱と改善された質量移動のおかげで、ナノ粒子の結晶性および相の純度が向上する。
• 粒子サイズおよび形態の制御が可能であり、従来の合成法では観察されなかった特異な結晶配列の報告がある。
• エネルギー効率が向上し、全体のエネルギー消費を削減することで、グリーンケミストリーの原則に適合する。
• マイクロ波と水熱条件の相乗効果により、物理的および構造的特性が向上する定量的改善が見られる。
• マイクロ波と水熱法の組み合わせにより、高度な応用が期待される新しいナノ粒子構造の形成が可能になる。