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

ZrO ₂ / 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

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany