Кинетика роста слоёв Zn(OH)₂ - ZnO из аммиачных растворов Zn(II) на поверхности стекла

Проведены термодинамические и экспериментальные исследования условий образования частиц Zn(OH)₂/ZnO в модельной замкнутой системе Zn²⁺ - NH_3,aq - NH_3gas - H+- OH- - H₂O - N_2gas (1), которая часто возникает при синтезе наночастиц и плёнок оксида/гидроксида цинка методами химического осаждения в ванне (CBD). Показано, что движущей силой образования и роста частиц Zn(OH)₂/ZnO в первоначально однородной системе (1) при 25 °C является разница в химическом потенциале частиц при исходной температуре (ненасыщенная система) и температуре синтеза (пересыщенная система). С помощью колебательной спектроскопии, рентгенофазового и химического анализа, методов диффузного рассеяния света и электрофореза установлено, что фазовое превращение Zn(OH)₂ в ZnO происходит при 85 - 90 °C. Впервые установлено, что коллоидно-химическое превращение ионных частиц Zn(NH₃)₄²⁺ в коллоидные поликристаллы состава  Zn(OH)₂/ZnO является стадийным процессом. Первая стадия превращения происходит в объёме раствора. Она локализуется на границе раздела «нанопузырек газа – внешний раствор» в результате быстрого образования, роста и удаления газовых нанопузырьков из раствора. Взаимодействие положительно заряженных наночастиц Zn(OH)₂ с поверхностью более крупных отрицательно заряженных газовых нанопузырьков создаёт коллоидные агрегаты «пузырёк||поверхностная плёнка гидроксидных наночастиц».  Их адгезия образует ажурную пеноподобную структуру коллоида Zn(OH)₂ в растворе и в плёнке на границах раздела газ-жидкость на первом этапе синтеза. После дегазации раствора электролита развивается вторая стадия, заключающаяся в нуклеации и ионно-молекулярном росте частиц Zn(OH)₂/ZnO из пересыщенного раствора, их распределении между раствором и границей раздела электролит - стенка реактора – воздух в виде плёнки. Рост плёнки на этой стадии регулируется разницей в поверхностных зарядах двойного электрического слоя границы раздела и поликристаллических коллоидных частиц. В растворе и на границе раздела столбчатые структуры Zn(OH)₂/ZnO растут в форме объёмных звёзд с коническими гексагональными шипами.

1. Mokrushin S.G. Experimental study of laminar systems. J. of Physical Chemistry, 1934, 5 (8), P. 1082–1091.

2. Fabian I.E., Chandrakant D.L., Rajan J. Chemically Deposited Nanocrystalline Metal Oxide Thin Films: Synthesis, Characterizations, and Appli cations. Springer Cham, 2021, 926 p.

3. Guire M.R.D., Bauermann L.P., Parikh H., Bill J. Chemical Bath Deposition. In Chemical Solution Deposition of Functional Oxide Thin Films. Ed. Waser R., Kosec M., Payne D. Schneller T. Vienna, Springer, 2013.

4. Markov V.F., Maskaeva L.N., Kitaev G.A. Peculiarites of microstructure and properties of lead sulfide films deposited from halide-containing solutions. Inorganic materials, 2000, 36 (7), P. 792–795.

5. Kozhevnikova N.S., Markov V.F., Maskaeva L.N. Chemical deposition of metal sulfides from aqueous solutions: from thin films to colloidal particles. J. of Physical Chemistry, 2020, 94 (12), P. 1752–1766.

6. Fatehah M.O., Hamidi A.A., Serge S. Stability of ZnO nanoparticles in solution. Influence of pH, dissolution, aggregation and disaggregation effects. J. of Colloid Science and Biotechnology, 2014, 3 (1), P. 75–84.

7. Majid A., Bibi M. Cadmium based II-VI Semiconducting Nanomaterials Wet Chemical Synthesis Methods. Topics in Mining, Metallurgy and Materials Engineering, Springer, Cham, 2018, P. 43–101.

8. Guillemin S., Rapenne L., Roussel H., Sarigiannidou E., Br´emond G., Consonni V. Formation Mechanisms of ZnO Nanowires: The Crucial Role of Crystal Orientation and Polarity. J. of Physical Chemistry C, 2013, 117 (40), P. 20738–20745.

9. He J.H., Lao C.S., Chen L.J., Davidovic D., Wang Z.L. Large-scale Ni-doped ZnO nanowire arrays and electrical and optical properties. J. of the American Chemical Society, 2005, 127 (47), P. 16376–16377.

10. Comini E., Faglia G., Sberveglieri G., Pan Z.W., Wang Z.L. Stable and high-sensitive gas sensors based on semoconducting oxide nanobelts. Applied Physics Letters, 2002, 81 (10), P. 1869–1871.

11. HeJ.H., Hsin C.L., Liu J., Chen L.J., Wang Z.L. Piezoelectric gated diode of a single ZnO nanowire. Advanced Materials, 2007, 19 (6), P. 781–784.

12. Sun X., Li Q., Jiang J., Mao Y. Morphology-tunable synthesis of ZnO nanoforest and its photoelectrochemical performance. Nanoscale, 2014, 6 (15), P. 8769–8780.

13. P´ erez-Hern´andez R., Vel´ azquez Salazar J.J., Yacaman M.J. Low-Temperature Synthesis and Growth Mechanism of ZnO Nanorods on Crystalline Si Substrate. J. of Nano Research, 2011, 14, P. 69–82.

14. Wang M., Jiang L., Jung Kim E., Hahn S.H. Electronic structure and optical properties of Zn(OH)2: LDA+U calculations and intense yellow luminescence. RSC Advances, 2015, 5 (106), P. 87496–87503.

15. Alnoor H., Chey Ch.O., Pozina G., Liu X., Khranovskyy V., Willander M., Nur O. Effect of precursor solutions stirring on deep level defects concentration and spatial distribution in low temperature aqueous chemical synthesis of zinc oxide nanorods. AIP Advances, 2015, 5, 087180.

16. Baviskar P.K., Nikam P.R., Gargote S.S., Ennaoui A., Sankapal B.R. Controlled synthesis of ZnO nanostructures with assorted morphologies via simple solution chemistry. J. of Alloys and Compounds, 2013, 551, P. 233–242.

17. Znaidi L. Sol-gel-deposited ZnO thin films: A review. Materials Science and Engineering B, 2010, 174, P. 18–30.

18. Le Pivert M., Martin N., Leprince-Wang Y. Hydrothermally grown ZnO nanostructures for water purification via photocatalysis. Crystals, 2022, 12 (3), 308.

19. Gonzalez-Chan I.J., Moguel Z.P., Oliva A.I. Deposition of ZnO thin films by chemical bath technique: physicochemical conditions and character ization. ECS J. of Solid State Science and Technology, 2019, 8 (9), P. 536–544.

20. Kahraman S., C¸akmak H.M., C¸etinkaya S., C¸etinkara H.A., G¨ uder H.S. CBD grown ZnO nanostructures: effects of solution temperature. Int. J. of Materials Research, 2013, 104 (8), P. 798–804.

21. Trejo-Ramos A.I., Mart´ın-Varguez P.E., Gonzalez-Chan I.J., Oliva A.I. Algorithm to obtain the species distribution diagrams and solubility curves for depositing ZnS, ZnO, and Zn(OH)2 films in aqueous solution. Computational and Theoretical Chemistry, 2021, 1202, 113325.

22. Stefan M., Nistor S.V., Ghica D. ZnS and ZnO Semiconductor Nanoparticles Doped with Mn2+ Ions. Size Effects Investigated by EPR Spec troscopy. Springer Series in Materials Science, 2014, 205, P. 3–27.

23. Molefe F. V., Koao L. F., Dejene B. F., Swart H. C. Phase formation of hexagonal wurtzite ZnO through decomposition of Zn(OH)2 at various growth temperatures using CBD method. Optical Materials. 2015, 46, 292-298.

24. Polyakov E.V., Tzukanov R.R., Volkov I.V., Buldakova L.Yu., Baklanova I.V., Lipina O.A., Zhukov V.P., Kuznetsova Yu.V., Tutyunnik A.P., Max imova M.A. Synthesis and comparative photocatalytic activity of CuO layers on SiO2 substrates. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2020, 11 (5), P. 601–607.

25. Polyakov E.V., Tsukanov R.R., Buldakova L.Yu., Kuznetsova Yu.V., Volkov I.V., Zhukov V.P., Maksimova M.A., Dmitriev A.V., Baklanova I.V., Lipina O.A., Tyutyunnik A.P. Chemical Bath Precipitation and Properties of-Ni(OH)2 Films Prepared in Aqueous Ammoniac Solutions. Russian J. of Inorganic Chemistry, 2022, 67 (6), P. 912–920.

26. Vasiliev V.P. Thermodynamic properties of electrolyte solutions. Vysshaya Shkola, 1982, 320 p.

27. Kotrly S., Suka L. Handbook on chemical equilibriq in analytical chemistry. Ellis Horwood Limi` oed, Chichester, 1985, 253 p.

28. Margulis M.A. Sonoluminescence. Uspekhi Fizicheskih Nauk, 2000, 170 (3), P. 263–287.

29. Lutz H.D, Jung C., M¨ ortel R., Jacobs H., Stahl R. Hydrogen bonding in solid hydroxides with strongly polarising metal ions, b-Be(OH)2 and o-Zn(OH)2. Spectrochimica Acta Part A, 1998, 54, P. 893–901.

30. Kim K.M., Kim T.H., Kim H.M., Kim H.J., Gwak G.H., Peak S.M., Oh J.M. Colloidal behaviors of ZnO nanoparticles in various aqueous media. Toxicology and Environmental Health Sciences, 2012, 4 (2), P. 121–131.

31. Zhang X., Wang Q., Wu Zh., Tao D. An experimental study on size distribution and zeta potential of bulk cavitation nanobubbles. Int. J. of Minerals, Metallurgy and Materials, 2020, 27 (2), P. 152–161.

32. Li M., TongguL., Zhan X., MegaT.L., WangL.Cryo-EMVisualization of Nanobubbles in Aqueous Solutions. Langmuir, 2016, 32 (43), P. 11111 11115 .

33. Agarwal A., Ng W.J., Liu Y. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere, 2011, 84 (9), P. 1175–1180.

34. Alheshibri M., Baroot A.A., Shui L., Zhang M. Nanobubbles and nanoparticles. Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2021, 55 (43), 101470.

35. Bui T.T., Nguyen D.C., Han M. Average size and zeta potential of nanobubbles in different reagent solutions. J. of Nanoparticle Research, 2019, 21 (8), P. 1–11.

36. Pawar S.M., Gurav K.V., Shin S.W., Choi D.S., Kim I.K., Lokhande C.D., Rhee J.I., Kim J.H. Effect of bath temperature on the properties of nanocrystalline ZnO thin films. J. of Nanoscience and Nanotechnology, 2010, 10 (5), P. 3412–3415.