در روش های سنتز نانو مواد زمان و انرژی دو پارامتر مهم و تاثیر گذار بر عملکرد و کارایی روش های تولید می باشند. در میان روش های گوناگون سنتز، روش هیدروترمال یکی از روش های پرکاربرد در تولید نانو مواد بوده که عملکرد مطلوبی از خود نشان داده است. اما طولانی بودن مدت زمان این روش در کنار مصرف انرژی بالای آن باعث شده است تا این روش بهینه سازی شده و مطابق با نیاز روز ارتقاء داده شود.

روش مایکروویو هیدروترمال نسخه بهینه شده روش هیدروترمال می باشد که در آن از امواج مایکروویو برای تامین انرژی گرمایی استفاده می گردد. بکارگیری امواج مایکروویو در این روش باعث شده است تا مدت زمان فرآیند تولید کاهش یابد. در ادامه این روش بهینه شده را دقیق تر بررسی می کنیم.

مروری بر روش هیدروترمال

در یکی از مقالات قبلی روش هیدروترمال را بطور کامل توضیح و نحوه اجرا و مکانیزم آن را شرح داده ایم؛ شما می توانید با مراجعه به آن با روش هیدروترمال و پرامتر های آن آشنا شوید.

اما به طور کلی، روش هیدروترمال در دسته روش های مایع قرار می گیرد و بر اساس فرآیند تشکیل بعضی از سنگ های معدنی در طبیعت طراحی و توسعه داده شده است. بطورکلی هیدروترمال به روشی اتلاق می شود که در آن محلول آبی حاوی مواد اولیه درون محفظه ای ایزوله با قابلیت ایجاد دما و فشار بالا تحت عنوان اتوکلاو (Autoclave) قرار می گیرد. زمانی که محلول آبی تحت دما و فشار بالا قرار می گیرد فرآیند شیمیایی آغاز شده و در اثر واکنش میان مواد اولیه با یکدیگر ذرات کریستالی با ابعاد نانومتری و غیر قابل انحلال در آب بعنوان محصول نهایی تشکیل می گردند.

مواد اولیه مورد استفاده در این روش بسته به ترکیب شیمیایی محصول نهایی متفاوت است اما بطور کلی نمک فلز و کانی ساز (Mineralizer) دو ماده اصلی مورد استفاده در این روش می باشند. اما روش هیدروترمال دارای زمان فرآیند طولانی مدت بوده که بسته به محصول نهایی از ساعت ها تا روز ها متغیر می باشد. علاوه بر این موضوع، مصرف انرژی این روش نیز بالا می باشد و هزینه تولید این روش را افزایش می دهد. این دو عامل باعث شده است تا با گذشت زمان و اهمیت یافتن مساله انرژی در دنیا روش هیدروترمال دستخوش تغییر شده و با استفاده از امواج مایکروویو بعنوان منبع انرژی این روش را بهینه سازی نمود.

روش مایکروویو هیدروترمال

همانطور که گفته شد روش هیدروترمال بدلیل برخورداری از فرآیند بلند مدت (ساعت ها تا روز ها)، مصرف انرژی بالا و نیاز به تجهیزات گرانقیمت هزینه بر بوده و نیازمند بهینه سازی می باشد. از این رو، محققین به این نتیجه رسیدند که امواج مایکروویو (Microwave) (مایکروویو به نوعی موج الکترومغناطیس گفته می شود که محدوده فرکانس و طول موج آن به ترتیب برابر با GHz 300 – MHz 300 و m 1 – mm 1 می باشد) بعنوان منبع تامین کننده انرژی باعث می شود تا زمان فرآیند تولید کاهش یافته، میزان مصرف انرژی به مقدار قابل توجهی کم شده و امکان سنتز نانو مواد با ابعاد کوچکتر و یکنواخت تر امکان پذیر گردد.

مراحل و نحوه اجرای این روش بهبود یافته با روش هیدروترمال مشابه بوده و تنها تفاوت آنها با یکدیگر در نوع منبع انرژی می باشد بطوریکه با کمک امواج مایکروویو می توان طی مدت زمانی کمتر به دما و فشار بالا در روش هیدروترمال دست یافت. نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که امواج مایکروویو بصورت حجمی به تمامی محلول حاوی مواد اولیه تابیده شده و افزایش دما و فشار در تمامی نقاط محلول بطور یکنواخت صورت می گیرد و همین امر موجب می شود تا زمان فرآیند تولید به شدت کاهش یابد.

در یک مطالعه تحقیقاتی از هر دو روش برای سنتز نانو ذرات با ترکیب شیمیایی یکسان استفاده گردید. نتایج به دست آمده نشان دادند که مدت زمان فرآیند تولید نانو ذرات با استفاده از روش مایکروویو هیدرترمال 8 برابر کمتر از روش هیدرو ترمال می باشد. علاوه بر این موضوع مشخص شد که نانو ذرات سنتز شده با روش مایکروویو هیدروترمال خالص و تکفاز بوده درحالیکه در ترکیب شیمیایی محصول نهایی بدست آمده از روش هیدروترمال مقادیری ناخالصی وجود دارد.

مهمترین موضوع در روش مایکروویو هیدروترمال مکانیزم افزایش دمای محلول مواد اولیه توسط امواج مایکروویو می باشد. زمانی که امواج مایکروویو به ماده تابیده می شود این امواج به درون ماده نفوذ کرده و اندرکنشی میان آنها و ماده اتفاق می افتد که به آن فرآیند دو قطبی شدن (Polarization) گفته می شود مانند دو قطبی شدن الکترون، دو قطبی شدن اتم و غیره. فرآیند دو قطبی شدن منجر می شود تا حرکت بی نظم اتم ها و مولکول های ماده تحت تاثیر میدان الکترومغناطیس تبدیل به لرزش هایی با فرکانسی بالا گردد و در نتیجه این امر دمای ماده افزایش یابد.

با توجه به این مکانیزم، در روش مایکروویو هیدروترمال انتخاب ماده ای (حلال مواد اولیه) که بتواند به راحتی با امواج مایکروویو اندرکنش ایجاد کند شدیدا اهمیت دارد. به عبارت دیگر بالا بودن میزان جذب امواج مایکروویو توسط ماده حلال منجر به اندرکنش راحت تر و بیشتر امواج با اتم ها و مولکول های محلول مواد اولیه و درنتیجه افزایش دما و فشار بیشتر و سریعتر محلول در این روش می گردد.

دو پارامتر مهم در انتخاب نوع حلال وجود دارند:

1. ثابت دی الکتریک: ثابت دی الکتریک حلال هرچه بالاتر باشد اندرکنش میان مولکول ها و اتم های آن با امواج مایکرویو بیشتر است.

2. اتلاف دی الکتریک: هرچه اتلاف الکتریکی حلال پایین تر باشد گرم شدن آن توسط امواج مایکروویو دشوار تر می گردد. با توجه به این دو پارامتر حلال ها را می توان به سه دسته تقسیم نمود:

1. حلال با قابلیت جذب امواج مایکروویو بالا که مقدار اتلاف دی الکتریک آنها بیشتر از 14 می باشد.
2. حلال با قابلیت جذب امواج مایکروویو متوسط که مقدار اتلاف دی الکتریک آنها بین 1 و 14 می باشد.
3. حلال با قابلیت جذب امواج مایکروویو پایین که مقدار اتلاف دی الکتریک آنها کمتر از 1 می باشد.

در میان حلال های مختلف روش هیدروترمال، آب بالاترین ثابت دی الکتریک برابر با 4/80 را داشته و اتلاف دی الکتریک آن 14 که مطابق با دسته بندی صورت گرفته در دسته حلال های با قابلیت جذب امواج مایکروویو متوسط قرار می گیرد.

کاربرد های روش مایکروویو هیدروترمال

تابحال نانو ذرات با ترکیبات شیمیایی مختلف مناسب برای کاربرد های گوناگون توسط روش مایکروویو هیدروترمال سنتز شده اند که به شرح زیر است:

1. اکسید ها و هیدروکسید های فلزات: این ترکیبات در زمینه های مختلف نظیر سنسور های گازی، فرآیند های کاتالیسیتی، فرآیند های الکتروشیمی و سلول های خورشیدی مورد استفاده قرار گرفته اند. این ترکیبات عبارتند از: Fe₂O₃، CuO، CeO₂، GaOOH، Gd₂O₃، WO₃ و…
2. کامپوزیت اکسید های فلزی: این ترکیبات برای استفاده در فرآیند های فوتوکاتالیستی، کاربرد های نوری و فرآیند های الکتروشیمی تولید شده اند. این ترکیبات عبارتند از: NaNbO₃، SrTiO₃، Fe₂(MoO₄)₃، LiFePO₄، NaY(WO₄)₂ و…
3. بیومواد غیر معدنی: این ترکیبات عبارتند از: نانو ذرات هیدروکسی آپاتیت و نانو ذرات کلسیم کربنات که برای کاربردهای پزشکی مناسب می باشند.
4. سولفید فلزات: نانو ذرات دو ترکیب Ag₂S و In₂S₃ به ترتیب برای درمان سرطان و باتری های لیتیوم-یونی توسط روش مایکرووویو هیدروترمال سنتز شده اند.

با توجه به مطالب ذکر شده مشخص می شود روش بهینه سازی شده مایکروویو هیدروترمال برای سنتز نانو مواد با ترکیبات گوناگون و کاربرد های ویژه کاملا مناسب بوده و امکان سنتز این ترکیبات ویژه را در زمان، دما و هزینه پایین تر نسبت به روش هیدروترمال فراهم می آورد.

منابع:

1. http://dx.doi.org/10.1016/j.mtchem.2016.11.003
2. https://www.researchgate.net/publication/291958106
3. https://doi.org/10.1155/2020/8917013