Влияние различных технологических параметров на размер наночастиц Fe3O4

0 it & I U в химии и химической технологии. Том XXV. 2011. № 8

УДК 544.77

М.В. Волостных, А.Г. Мурадова, Е.В. Юртов Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА РАЗМЕР НАНОЧАСТИЦ Fe304

In this paper we report on the synthesis of nanoparticles Fe304 by sonochemical method and coprecipitation method. It was showed that the size of synthesized nanoparticles was depended on solution temperature, ferric and ferrous concentration, US in the reaction mixture The structure, morphology, phase composition prepared nanoparticles were investigated.

В работе были получены наночастицы Fc;,Oi методом соосаждения и сонохимиче-ским методом. Показано, что размер синтезируемых наночастиц зависит от концентрации солей Fe2+ и Fe3+, температуры осаждения, действия ультразвука. Проведен анализ их структуры, морфологии, фазового состава.

Магнитные наночастицы Fe^C^ из-за их низкой токсичности находят широкое применение в различных областях медицины и техники. Исследования проводившиеся в последние годы показывают, что вопросам технологии синтеза наночастиц не уделено достаточного внимания, хотя известно, что свойства наночастиц во многом зависят не только от количественного и качественного состава входящих в них компонентов, но и от условий получения.

Целью настоящей работы являлось исследование влияния различных технологических параметров синтеза на размер и форму наночастиц Fe^C^. Известно, что варьирование размером частиц Fe3Ü4 приводит к изменению таких характеристик как: намагниченность насыщения, коэрцитивная сила и др. в зависимости от размера наночастиц Fe^O-i Эта особенность дает возможность улучшать существующие и создавать принципиально новые функциональные материалы.

В данной работе получали магнитные наночастицы Fe^C^ методом соосаждения и сонохимическим методом. Преимуществами метода соосаждения являются высокий выход продукта, узкое распределение наночастиц по размерам, устойчивость к агрегации и седиментации.

Методом соосаждения получали наночастицы Fe^C^ при различных температурах осаждения солей Fe3+ и Fe2+. На рис.1 представлены результаты измерения образцов полученных при температурах 25°С, 50°С и 80°С, диспергированных в среде вазелинового масла. Измерения проводились при помощи анализатора Zetasizer Nano ZS (Malvern, Великобритания), принцип работы которого основан на методе динамического светорассеивания.

Как видно из рисунка 1, максимальному распределению (>30%) соответствовали частицы Fe3Ü4, полученные при 25°С диспергированные в вазелиновом масле и имеющие размер 9-10 нм. Магнитные частицы Fe3Ü4, полученные при 50 и 80°С, а также диспергированные в вазелиновом масле были менее устойчивы к агрегации и седиментации в вазелиновом масле, чем магнитные частицы, полученные при температуре 25°С. Причем, наночастицы Fe3Ü4 магнитной жидкости на основе вазелинового масла, получен-

X U в химии и химической технологии. Том XXV. 2011. № 8

ные при температуре 50°С имели средний диаметр 13.5 нм., а наночастицы Рез04 магнитной жидкости на основе вазелинового масла, полученные при температуре 80°С имели средний диаметр 15.6 нм.

Методом соосаждения также были получены частицы Fe^C^ при концентрациях солей Fe3+ и Fe2+ в исходном растворе 0,0125М-1,5М (рис. 2).

40 30

20

10

0

0.1 1 10 100 1000 10000

Size

Рис.1. Распределение наночастиц Fcj04 полученных при различных температурах

12,00 -,

Я

О

¿г

&н Я"

я

&

я

г Е

рч

(О

о.

0,00 Ч-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Концентрация солей в исходном растворе, М

Рис.2. Зависимость размера частиц Ре304 от концентрации солей Ре3+ и Гс2+ в исходном растворе

Причем, при концентрации 0,0125-0,5М средний диаметр частиц составлял около 10 нм, а при концентрации 1,5М -6,7 нм.

Это связано с тем, что с увеличением концентрации солей хлоридов железа размер частиц уменьшается, из-за увеличения перенасыщения раствора (образования центров нуклеации) в момент осаждения и как результат увеличения скорости процесса. Микрофотография наночастиц, синтезиро-

Fe304 (при 5 Э°С) -

Fe304 (при 8 Э°С) -

-1—1— 1 lill Fe304 (при 25°С) - -1—1—........1—1—......

4,00 -2,00 -

9

О Л 0 X и в химии и химической технологии. Том XXV. 2011. № 8

ванных методом соосаждения представлена на рис.3.

Рис. 3. ТЭМ-изображения частиц Рез04, синтезированных методом соосаждения

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Угол, шале

Рис.4 Дифрактограмма наночастиц Гсз04, полученных сонохимическим методом

Частицы Рез04, полученные методом соосаждения имели размер ~ 10 нм и форму, близкой к сферической

X VI в химии и химической технологии. Том XXV. 2011. № 8

Сонохимический метод - эффективный метод синтеза магнитных на-ночастиц. Термин «сонохимия» произошел от явления акустической кавитации, то есть образование, рост и разрушение пузырей в жидкой среде. В данной работе сонохимическим методом получали наночастицы БезС^ с размером более 20 нм. Проводили процесс осаждения при длительной обработке ультразвуком в течение 2 часов. Для этого брали соль Бе2+ (0.1М) и осаждали под действием ультразвука раствором КОН (214). Полученные образцы были исследованы при помощи метода рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии. На рисунке 4 представлены данные рентгеновской дифракции.

Рентгенограммы нанопорошков Без04 снимались на дифрактометре ДРОН-4 с компьютерным управлением с использованием монохроматизиро-ванного СиКа -излучения.

Как видно из РФА - диаграммы (рис.4), полученные дифракционные пики экспериментального спектра полностью соответствовали пикам рентгенограмм из компьютерного банка для РезО^ Из полученных результатов РФА следует, что данное соединение Рез04 - с кубической кристаллической решеткой.

Микрофотография наночастиц, синтезированных сонохимическим методом представлена на рис.5.

Частицы Рез04, полученные сонохимическим методом имели размер ~ 22 нм и форму кубическую.

Рис.5. ТЭМ-изображения частиц Ре304, синтезированных сонохимическим методом

Таким образом, на размер и форму синтезируемых наночастиц влияет не только концентрация солей в исходном растворе и температура осаждения, но методы получения.