• Rezultati Niso Bili Najdeni

Prekurzorski material

In document MAGISTRSKO DELO (Strani 48-52)

5. Rezultati

5.1. Prekurzorski material

31

5. Rezultati

5.1. Prekurzorski material

Kot sem opisal ţe v diplomski nalogi [6], je sinteza prekurzorskega materiala visoko ponovljiva ter omogoča pridobitev mnogoplastnega borofena z visoko stopnjo plastovitosti delcev. Če privzamemo popolnoma uspešno sintezo zlitine Li-B v komori z Ar atmosfero, je stopnja plastovitosti in posledično kvaliteta sintetiziranega materiala odvisna predvsem od uspešnosti odtapljanja litija iz zlitine.

Sliki 10 in 11: Struktura sintetiziranega materiala po filtraciji MQ vodne suspenzije.

Sliki 12 in 13: Struktura prekurzorskega materiala po suspendiranju v klorovodikovi kislini.

Kadar sintetizirano zlitino suspendiramo zgolj v MQ vodi (sliki 10 in 11) je v končnem materialu sicer opazna plastovitost strukture, vendar je ta zaradi nepopolne deinterkalacije litija mestoma prekinjena. Razlog za slabo odstranitev litija je predvsem nizka afiniteta za tvorbo LiOH v vodni suspenziji, zato večji del litija v zlitini ostane nedotaknjen. Mnogo boljše rezultate lahko doseţemo z naknadnim suspendiranjem materiala v 1M HCl (sliki 12 in 13), saj visoka difuzivnost kloridnih ionov v kislini skupaj z visoko afiniteto za tvorbo LiCl omogoča deinterkalacijo teţje dostopnih litijevih ionov iz strukture, kar močno zviša stopnjo plastovitosti materiala. Šele material, dodatno tretiran s HCl je ustrezen za nadaljnjo uporabo.

32

5.1.1. Karakterizacija volumna materiala

Čeprav je prek SEM analize prekurzorskega materiala zelo očitno razvidna plastovita struktura zunanjosti delcev, pa vpogleda v notranjost delca taka analiza ne omogoča. Podatek o notranji strukturi delca močno vpliva na pogoje potrebne za razplastitev, zato me je zanimalo kako globoko v material uspejo prodreti kloridni ioni. V kolikor njihov domet seţe do litija globoko v notranjosti delca, lahko pričakujemo plastovito strukturo po celotnem volumnu, kar bi olajšalo pogoje za razplastitev, hkrati pa omogočilo zaţeleno večjo površino posameznih sintetiziranih nanoploščic. Nasprotno velja, če je plastovitost prisotna zgolj na zunanjih robovih delcev, saj bo tako za uspešno razplastitev potrebna večja količina energije.

Nanoploščice bi v tem primeru namreč lahko nastajale zgolj s pomočjo odloma izpostavljenih plasti, posledično pa bi bila tudi njihova površina precej manjša.

Slika 14: Notranjost delcev prekurzorskega materiala, fiksiranega v epoksi smolo.

Kot je razvidno na sliki 14, so delci prekurzorskega materiala tako kot ob robu tudi v notranjosti močno plastoviti. Skladno s to ugotovitvijo pričakujemo milejše pogoje potrebne pri eksfoliaciji, kar zviša moţnost za uspešno razplastitev in hkrati zniţuje stroške procesa.

33

5.1.3. Identifikacija nečistoč

Pri prenosu zlitine iz Ar komore v ambientno atmosfero sem poleg pričakovane oksidacije večkrat opazil tudi prisotnost raznih nečistoč, ki pri raztapljanju v MQ vodi ostanejo v trdni obliki. V sklopu optimizacije sinteznega postopka prekurzorskega materiala, sem se odločil, da nečistoče karakteriziram ter s tem pridobim znanje o vzroku in vplivu njihovega nastanka.

Slika 15: Nečistoče prisotne po izpostavitvi zlitine ambientni atmosferi. Nečistoče so oštevilčene z 1, 2 in 3.

Glede na to, da v Ar komori nimam detektorja dušika, hkrati pa sta pri sintezi prisotna elementarni bor ter litij pri povišanih temperaturah, sem predvideval, da so nečistoče verjetno nitridi obeh elementov.

Prisotnost borovih nitridov

Pri pregledu literature sem odkril, da interakcija BN z LiOH omogoča izhajanje dušika in posledično degeneracijo BN mreţe [61].

Bel (2) in črn (3) del zlitine sem ločil od preostanka ter ju izpostavil MQ vodi in 0,2M LiOH (1310-66-3 – Sigma-Aldrich 99%). Izkazalo se je, da se nečistoči v vodi v kratkem času ne raztopita, če sta vodi izpostavljeni dalj časa, pa se zmehčata ter suspenzijo pretvorita v redkejšo pasto. Dolg čas raztapljanja sem pripisal počasni tvorbi LiOH pri raztapljanju zlitine v vodi. Predvidevanje je potrdilo dejstvo, da v 0,2M LiOH do istega rezultata pride mnogo hitreje, čeprav se črn (3) del raztopi hitreje kot bel (2) del.

Glede na to, da z gotovostjo lahko trdim, da sta obe nečistoči BN, sem predvideval, da sta za različno hitrost raztapljanja odgovorni različni strukturni obliki. Daljši čas raztapljanja belega dela (2) predpostavlja urejeno strukturo, kar potrjuje tudi višja trdnost nečistoče. V prid kristalinični strukturi so tudi zaznane magnetne lastnosti, ki se v BN lahko inducirajo zgolj zaradi atomskih vrzelih na mestih, kjer bi morali biti v kristalinični mreţi prisotni N ali B atomi [62][7]. Bel del (2) je sicer kljub trdnosti precej krhek, v začetnih fazah raztapljanja pa postane izrazito mazljiv; lastnost značilna za plastovite materiale, ki so strukturno podobni grafitu. Skladno z navedenimi ugotovitvami sem zaključil, da je nečistoča (2) v resnici heksagonalni borov nitrid (h-BN).

34

Lastnosti črne nečistoče (3) se ujemajo z manjšo trdoto ter hitrejšim raztapljanjem amorfnega borovega nitrida [63]. Poleg tega nečistoča (3) ne izkazuje nikakršnih magnetnih lastnosti, kar dodatno dokazuje njeno amorfno strukturo.

Poleg same identifikacije nečistoč je zanimivo tudi dejstvo, da sem po filtraciji raztopljenega h-BN na filtru opazil manjše kristale bora, ki jih pri filtraciji amorfnega BN ni bilo.

Predvidevam, da prisotnost dušika v komori omogoča tvorbo BN ţe znotraj taline pri temperaturi 500-550°C. Obe nečistoči se tako najbrţ tvorita na površini še nezreagiranega kristaliničnega bora, zgolj h-BN pa je s svojo gosto urejeno strukturo nepropusten za litijeve ione s čimer tvori pasivacijski sloj okoli borovih kristalov. Hkrati prisotnost slednjih pri filtraciji h-BN sluţi kot dodaten dokaz k strukturnima oblikama obeh nečistoč.

Prisotnost litijevega nitrida (Li3N)

Tudi nečistočo (1) sem poskusil raztopiti v LiOH in MQ vodi. Pri stiku nečistoče z vodo se je suspenzija penila, izhajal pa je plin z značilnim vonjem amonijaka. Za raztapljanje sem uporabil 0,1M in 0,2M LiOH, pri tem pa se je čas raztapljanja podaljševal s koncentracijo.

Zaradi obnašanja v obeh topilih sem predvideval, da sta NH3 in LiOH raztopna produkta nečistoče 1, slednja pa je verjetno litijev nitrid Li3N, ki razpada po sledeči enačbi.

Enačba 2

Enačba 2: Razpad litijevega nitrida v prisotnosti vode.

Za potrditev predvidevanja sem moral dokazati prisotnost LiOH med raztopnimi produkti. To sem storil tako, da sem v dveh vzporednih paralelkah v MQ vodo postavil heksagonalen BN, eni izmed paralelk pa dodal manjšo količino nečistoče 1. V slednji paralelki se je heksagonalen BN raztopil hitreje, kar dokazuje tvorbo LiOH pri stiku nečistoče 1 z vodo. S tem poskusom sem potrdil, da je nečistoča res litijev nitrid Li3N.

Končna ugotovitev

Z zgornjimi poskusi sem dokazal, da poleg zaţelene zlitine Li-B pri sintezi pridobimo tudi stranske produkte Li3N, h-BN in amorfen BN. Glede na to, da so vse tri spojine nitridi je razlog za njihov nastanek prisotnost dušika v komori. Poleg tega, da nastanek nečistoč direktno zmanjša izkoristek procesa z vezavo bora in litija, je h-BN sposoben tudi pasivacije nezreagiranih borovih kristalov, kar dodatno zmanjša količino sintetizirane zlitine. Na novo pridobljeno znanje o nečistočah ter vplivu njihovega nastanka omogoča preprečevanje nepotrebnih izgub ter posledično višji izkoristek procesa.

35

In document MAGISTRSKO DELO (Strani 48-52)