Microwave synthesis of chain-like zircona nanofibers through carbon-induced self-assembly growth

Abstract

Chain-like zircona (ZrO₂) nanofibers were prepared by microwave sintering without any surfactants or solid templates. Microwave sintering was conducted in a multimode microwave cavity with TE666 resonant mode at 2.45 GHz. Carbon particles were used to activate unique thermal processes when mixed with ZrO₂ precursor. The sintering condition was at 1300°C for 10 min. Samples were characterized by XRD, SEM, TEM techniques. It was found that both monolithic and tetragonal ZrO₂ co-existed in samples prepared from the mixture of ZrO₂ precursors and carbon by either microwave or conventional sintering. Only m-ZrO₂ exists in samples prepared by ZrO₂ precursors without carbon. ZrO₂ appeared as chain-like nanofibers, which might be attributed to a so-called carbon-induced self-assembly growth mechanism.

Keywords

ZrO₂ / chain-like nanofibers / microwave sintering / carbon-induced / self-assembly growth

References

[1] Mamak M, Coombs  N, Ozin G A . Electroactive mesoporous yttria stabilized zirconia containing platinum or nickel oxide nanoclusters: a new class of solid oxide fuel cell electrode materials. Advanced Functional Materials, 2001, 11(1): 59–63

[2] Bartolomeo E D ,  Grilli M L ,  Yoon J W , . Zirconia-based electrochemical NO_x sensors with semiconducting oxide electrodes. Journal of the American Ceramic Society, 2004, 87(10): 1883–1889

[3] Gole J L, Prokes  S M, Stout  J D, . Unique properties of selectively formed zirconia nanostructures. Advanced Materials, 2006, 18(5): 664–667

[4] Ghosh S, Teweldebrhan  D, Morales J R , . Thermal properties of the optically transparent pore-free nanostructured yttria-stabilized zirconia. Journal of Applied Physics, 2009, 106(11): 113507

[5] Shu Z, Jiao  X, Chen D . Synthesis and photocatalytic properties of flower-like zirconia nanostructures. CrystEngComm, 2012, 14(3): 1122–1127 

[6] Oliveira A P, Torem  M L. The influence of precipitation variables on zirconia powder synthesis. Powder Technology, 2001, 119(2–3): 181–193

[7] Bondioli F, Ferrari  A M, Leonelli  C, . Microwave-hydrothermal synthesis of nanocrystalline zirconia powders. Journal of the American Ceramic Society, 2001, 84(11): 2728–2730

[8] Kuo C W, Lee  Y H, Hung  I M, . Crystallization kinetics and growth mechanism of 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) nano-powders prepared by a sol–gel process. Journal of Alloys and Compounds, 2008, 453(1–2): 470–475

[9] Duran C, Sato  K, Hotta Y , . Ball milling assisted hydrothermal synthesis of ZrO₂ nanopowders. Ceramics International, 2015, 41(4): 5588–5593

[10] Cao H Q, Qiu  X Q, Luo  B, . Synthesis and room-temperature ultraviolet photoluminescence properties of zirconia nanowires. Advanced Functional Materials, 2004, 14(3): 243–246

[11] Liu Y, Zheng  C, Wang W , . Synthesis and characterization of zirconia nanorods. Journal of the American Ceramic Society, 2002, 85(12): 3120–3122

[12] Jiang C, Wang  F, Wu N , . Up- and down-conversion cubic zirconia and hafnia nanobelts. Advanced Materials, 2008, 20(24): 4826–4829

[13] Fang D, Huang  K, Luo Z , . Freestanding ZrO₂ nanotube membranes made by anodic oxidation and effect of heat treatment on their morphology and crystalline structure. Journal of Materials Chemistry, 2011, 21(13): 4989–4994

[14] Birnboim A, Calame  J P, Carmel  Y. Microfocusing and polarization effects in spherical neck ceramic microstructures during microwave processing. Journal of Applied Physics, 1999, 85(1): 478–482

[15] Zhang H B, Edirisinghe  M J. Electrospinning zirconia fiber from a suspension. Journal of the American Ceramic Society, 2006, 89(6): 1870–1875

[16] Tok A I Y ,  Boey F Y C ,  Du S W , . Flame spray synthesis of ZrO₂ nano-particles using liquid precursors. Materials Science and Engineering B, 2006, 130(1–3): 114–119

[17] Wang J A, Valenzuela  M A, Salmones  J, . Comparative study of nanocrystalline zirconia prepared by precipitation and sol–gel methods. Catalysis Today, 2001, 68(1–3): 21–30

[18] Srdić V V ,  Winterer M . Comparison of nanosized zirconia synthesized by gas and liquid phase methods. Journal of the European Ceramic Society, 2006, 26(15): 3145–3151

[19] Pian X, Fan  B, Chen H , . Preparation of m-ZrO₂ compacts by microwave sintering. Ceramics International, 2014, 40(7): 10483–10488

[20] Oghbaei M, Mirzaee  O. Microwave versus conventional sintering: A review of fundamentals, advantages and applications. Journal of Alloys and Compounds, 2010, 494(1–2): 175–189

[21] Rybakov K I, Semenov  V E, Link  G, . Preferred orientation of pores in ceramics under heating by a linearly polarized microwave field. Journal of Applied Physics, 2007, 101(8): 084915

[22] Chandrasekaran S, Basak  T, Srinivasan R . Microwave heating characteristics of graphite based powder mixtures. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2013, 48: 22–27

[23] Menéndez J A ,  Juárez-Pérez E J ,  Ruisánchez E , . Ball lightning plasma and plasma arc formation during the microwave heating of carbons. Carbon, 2011, 49(1): 346–349

[24] Menéndez J A ,  Arenillas A ,  Fidalgo B , . Microwave heating processes involving carbon materials. Fuel Processing Technolo-gy, 2010, 91(1): 1–8

Acknowledgements

The authors appreciate the financial support from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51672254, 51602287 and 51402264) and the China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2016M602266).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany