γ-Radiation Induced Synthesis of Metal oxides : Control of Particle Size, Composition, and Morphology

Nanomaterials show a significant difference in chemical, mechanical, electronic, magnetic and optical properties compared with bulk counterparts. The synthesis is a key-step to achieve the unique properties of nanomaterials. As an efficient, clean and straightforward approach, the γ-radiation induced synthesis has been extensively applied to fabricate metal nanoparticles. However, with regard to production of metal oxide nanoparticles via γ-radiation induced synthesis, the knowledge is still insufficient. The following metal oxides have been selected as synthesis substances in this thesis: Cu2O, MnO2, Mn3O4 and CeO2. A prerequisite for utilization of the radiation-induced approach to engineer metal oxide nanomaterials is to optimize the reaction conditions for each specific nanofabrication case. The current study aims to understand the effects of different reaction conditions, i.e., pH, scavenger concentration, precursors, dose, and support materials, on the structural, and physico-chemical properties of the fabricated metal oxide nanomaterials. The pH of the reaction plays an important role in determining the thermodynamically stable metal oxide products in radiation-induced synthesis. (Paper I). When using high concentration of solutes, i.e., isopropanol (used as a hydroxyl radical scavenger), the solvent effects must be considered (Paper I). It is found that different metal cation precursors (same element but different oxidation state) can result in metal oxides differing in composition and morphology under different radiation-induced redox conditions (Paper II). By gradually increasing the dose, ceria nanoparticles in different growth stages can be captured, and their morphological development is studied by TEM (Paper IV). Based on this, a mechanism for nucleation of ceria nanoparticles and mesocrystal growth is proposed as a function of the dose. Support materials, i.e., carbon black and PVP nanogel, are used to engineer supported metal oxides. The reactivity of carbon black towards water radiolysis products (Paper III), and the size-controlling effect of nanogel on produced metal/metal oxide nanoparticles (Paper V) are investigated in this thesis. In addition, for the view of application, the primary electrochemical properties of radiation-induced synthesized carbon black supported samples are studied (Paper II).Nanomaterial uppvisar en signifikant skillnad i kemiska, mekaniska, elektroniska, magnetiska och optiska egenskaper jämfört med motsvarande bulkmaterial. Syntesprocessen är ett av de viktigaste stegen för att åstadkomma nanomaterialens unika egenskaper. Som ett effektivt, rent och enkelt tillvägagångssätt har γ-strålningsinducerad syntes använts i stor utsträckning för att tillverka metallnanopartiklar. När det gäller produktion av metalloxid-nanopartiklar via γ-strålningsinducerad syntes är kunskaperna fortfarande otillräckliga. Följande material har valts som syntesämnen i denna avhandling: Cu2O, MnO­2, Mn3O4 och CeO2. En förutsättning för att använda strålningsinducerad syntes för att producera metalloxid-nanomaterial är att optimera reaktionsförhållandena för varje specifikt nanofabrikationsfall. Den aktuella studien syftar till att förstå effekterna av olika reaktionsförhållanden, d.v.s. pH, reaktantkoncentration, startmaterial, stråldos och eventuellt templatmaterial, på de tillverkade metalloxid-nanomaterialens strukturella och fysikalisk-kemiska egenskaper. Reaktionens pH spelar en viktig roll för att bestämma de termodynamiskt stabila metalloxidprodukterna vid strålningsinducerad syntes (Artikel I). Vid användning av höga koncentrationer av lösta ämnen, t.ex. isopropanol som används som hydroxylradikalinfångare, måste även lösningsmedelseffekter betraktas (Artikel I). Olika startmaterial (samma grundämne men olika oxidationstal) kan ge produkter som skiljer sig åt i fråga om sammansättning och morfologi under olika strålningsinducerade redoxförhållanden (Artikel II). Genom att gradvis öka stråldosen kan CeO2-nanopartiklar i olika tillväxtstadier fångas in och deras morfologiska utveckling studeras med TEM (Artikel IV). Utifrån detta föreslås en mekanism för kärnbildning av CeO2-nanopartiklar och mesokristalltillväxt som en funktion av stråldosen. Templatmaterialen kimrök och PVP-nanogel har använts vid syntes av metalloxider. Kimrökens reaktivitet mot vattenradiolysprodukter (Artikel III) och den storleksreglerande effekten av nanogel på syntetiserade metall/metalloxid-nanopartiklar (Artikel V) undersöks i denna avhandling. Dessutom studeras de primära elektrokemiska egenskaperna hos strålningsinducerade syntetiserade kimröksbaserade prover (Artikel II).QC 2021-08-20