Регистрация / Вход
Прислать материал

СИНТЕЗ НАНОКОМПОЗИТА ТИПА «ЯДРО-ОБОЛОЧКА» СОСТАВА Fe3-xO4-у@ZnO

Сведения об участнике
ФИО
Саломатина Анастасия Ивановна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Неорганическая и координационная химия. Аналитическая химия неорганических соединений
Тема
СИНТЕЗ НАНОКОМПОЗИТА ТИПА «ЯДРО-ОБОЛОЧКА» СОСТАВА Fe3-xO4-у@ZnO
Резюме
Представленная работа посвящена разработке метода получения магнитного композиционного наноматериала типа «ядро-оболочка». Методом соосаждения синтезирован оксалат железа (II) термическим разложением которого получен порошок пирофорного железа, самовоспламеняющийся на воздухе. Установлено, что продукт окисления пирофорного железа состоит из смеси оксидов, обладающих магнитными свойствами: маггемита γ-Fe2O3, магнетита Fe3O4 и гематита (α-форма Fe2O3).
Химической обработкой магнитных наночастиц произведена модификация их поверхности, с образованием оболочки из ZnO. Формирование наночастиц типа «ядро-оболочка» состава Fe3-xO4-у@ZnO подтверждено данными РФА и АСМ.
Ключевые слова
нанокомпозит, магнитные наноматериалы, наночастицы «ядро-оболочка», оксалат железа, пиролиз, соосаждение, магнетит, маггемит, гематит
Цели и задачи
Цель научной работы: разработка метода синтеза нанокомпозита типа «ядро-оболочка» состава «оксид железа – оксид цинка» термическим разложением металлорганического соединения оксалата железа и модификацией поверхности полученных наночастиц оксидом цинка. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- методом соосаждения синтезировать оксалат железа (II);
- исследовать фазовый состав и морфологию продуктов термического разложения оксалата железа (II);
- определить условия проведения стадии формирования оболочки нанокомпозита из оксида цинка;
- установить структурные и морфологические характеристики синтезированных наночастиц типа «ядро-оболочка».
Введение

Исследование магнитных наноматериалов и разработка методов их получения активно развиваются во многих направлениях науки и техники. Особое место среди материалов данного класса занимают наночастицы оксидов железа и композиты на их основе, являющихся перспективными для разработки селективных МРТ-контрастирующих агентов. 

Известно, что магнитные свойства наночастиц определяются многими факторами. Изменяя размер, форму состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. Методы химического синтеза представляются действенным инструментом для реализации данных задач, а также для изучения процессов изменения магнетизма в нано- и микромасштабах.

Методы и материалы

Для реализации поставленных задач использованы химические методы: методом соосаждения водных растворов синтезирован прикурсор - оксалат железа (II). Термическим разложением органической соли получены наночастицы пирофорного металла. Оксиление порошка пирофорного железа использовано для получения смеси фаз магнитных оксидов железа: маггемита, магнентита, гематита. Данные частицы применялись в качестве ядра композиционных наночастиц. Оболочка на их поверхности из оксида цинка получена в спиртовом растворе взаимодействием ацетата цинка и гидроксида калия. Фазовый состав и морфология, полученных фаз исследованы с помощью современных физико-химических методов: рентгенофазового анализа и атомно-силовой микроскопии.    

Описание и обсуждение результатов

При взаимодействии водных растворов оксалата аммония и сульфата железа (II) происходит химическая реакция, приводящая к образованию осадка лимонно-желтого цвета – α-модификации Fe(C2O4)•2H2O со структурой гумбольдита. Согласно имеющимся литературным данным, термическое разложение оксалата железа является сложным химическим процессом и сильно зависит от условий реакции. В данной работе получен порошок железа, черного цвета, который самовоспламеняется на воздухе с образованием порошка кирпично-красного цвета.

Вследствие высокой химической активности пирофорные металлы энергично взаимодействуют с кислородом воздуха, по этой причине маловероятно выделить частицы простого вещества металла без создания специальной инертной атмосферы. Количественный состав продукта окисления пирофорного железа, согласно РФА, выглядит следующим образом: маггемит Fe2,667O4 – 69%, магнетит Fe3O4 – 18 %, гематит α-Fe2O3 – 12 %. Таким образом, компоненты порошка представляют собой магнитные материалы, принадлежащие к классу ферримагнетиков и ферромагнетиков при обычных условиях. Известно, что α-Fe2O3 является антиферромагнетиком ниже температуры 260 K и слабым ферромагнетиком между 260 K (переход Морина) и 950 K (температура Нееля), магнетит и маггемит являются ферримагнетиками с температурами Кюри 860 K и 685 K соответственно. 

Модификация поверхности наночастиц оксидов железа заключается в диспергировании нанопорошка в изопропиловом спирте и образовании на поверхности частиц облочки из ZnO. Применение в качестве растворителя изопропанола препятствует росту частиц оксида цинка, сохраняя их в нанодисперсном состоянии. На рентгенограмме продукта синтеза заметно появление новых пиков, соответствующих фазе оксида цинка, при этом пики отражений, характерных для фаз маггемита, магнетита и гематита сохраняются. Важно отметить, что линии, отвечающие фазе ZnO, обладают большей шириной, что говорит меньшем размере (меньшей «окристаллизованности») частиц данной фазы по сравнению с оксидами железа. Заметно общее уменьшение интенсивности отражений и уширение пиков. Наблюдаемый вид рентгенограмм объясняется экранированием фаз оксидов железа фазой оксида цинка. Полученные результаты согласуются с данными, характерными для композитных наночастиц Fe3-xO4-у@ZnO, синтезированных другими методами, что подтверждает формирование наночастиц типа «ядро-оболочка».

Согласно данным АСМ частицы порошка оксидов железа представляют собой наночастицы пластинчатой формы длиной несколько сотен нанометров и высотой до 45 нм. После модификации поверхности наночастиц оксидом цинка существенного изменения формы частиц не происходит. Однако наблюдается увеличение размеров частиц до 300 нм, что подтверждает формирование наночастиц «ядро-оболочка» состава Fe3-xO4-у@ZnO. 

Используемые источники
1. D'Antonio M. C. et al. Spectroscopic investigations of iron (II) and iron (III) oxalates //Journal of the Brazilian Chemical Society. – 2009. – Т. 20. – №. 3. – С. 445-450.
2. Frost R. L., Weier M. L. Thermal decomposition of humboldtine: A high-resolution thermogravimetric and hot stage Raman spectroscopic study //Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2004. – Т. 75. – №. 1. – С. 277-291
3. Найден Е. П. и др. Магнитные свойства и параметры структуры наноразмерных порошков оксидных ферримагнетиков //Физика твердого тела. – 2008. – Т. 50. – С. 857-863.
4. Xu Z. et al. Structure and properties of Fe3O4 films grown on ZnO template via metal organic chemical vapor deposition //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2015. – Т. 385. – С. 257-264.
5. Губин С.П. и др. Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства //Успехи химии.–2005. – Т. 74. – С. 539-574.


Information about the project
Surname Name
Salomatina Anastasiya
Project title
The synthesis of the "core-shell" nanocomposite Fe3-xO4-y@ZnO
Summary of the project
The research is devoted to development of a new method of synthesis a magnetic "core-shell" nanomaterial. This method consist of precipitation oxalate of iron (II), thermal expansion of organic salt and pyrophoric iron self-igniting on air. It`s discovered that the product of oxidation of pyrophoric iron is mixture of magnetic oxides: maghemite, magnetite and hematite. Chemical modification of magnetic nanoparticles surface by ZnO provided. Formation of "core-shell" nanoparticles Fe3-xO4-у@ZnO is confirmed by X-ray diffraction and AFM data.
Keywords
magnetic nanomaterials, nanoparticles "core-shell", iron oxalate, pyrolysis, precipitation, magnetite, maghemite, hematite