CC BY
35
УДК 66.091.1
Зайцева М.П., Мурадова А.Г., Юртов Е.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОЛИЧЕСТВА ТЭОС НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ Fe3O4@SiO2
Зайцева Мария Павловна, аспирант, ведущий инженер кафедры наноматериалов и нанотехнологий, e-mail: zaytseva.maria. [email protected];
Мурадова Айтан Галандар кызы, к.х.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологий; Юртов Евгений Васильевич, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Наиболее распространенным за счет простоты и дешевизны исполнения способом получения структур Fe3O4@SiO2 типа ядро-оболочка является метод Штоббера. Посредством изменения количества тэтраэтоксисилана в системе осуществляли контроль толщины оболочки SiO2. Основываясь на расчетах по микрофотографиям просвечивающей электронной микроскопии выявлено, что с увеличением количества тэтраэтоксисилана толщина оболочки увеличивается с 34 до 42 нм. Инфракрасная спектроскопия показала образование аморфной оболочки Si-O-Si на поверхности наночастицы магнетита.
Ключевые слова: наночастицы магнетита, оксид железа, наночастицы, магнетит, структура ядро-оболочка, наноструктура.
INVESTIGATION OF THE EFFECT OF THE TEOS QUANTITY OF THE STRUCTURE Fe3O4@SiO2 FORMATION
Zaytseva M.P., Muradova A.G., Yurtov E.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The most common method due to the simplicity and cheapness of the method for producing Fe3O4@SiO2 structures of the core-shell type is the Stobber method., The thickness of the SiO2 shell was controlled by changing the amount of tetraethoxysilane in the system. Based on the calculations of the photomicrographs of transmission electron microscopy, it was revealed that the thickness of the shells increases from 34 to 42 nm with an increase in the number of tetraethoxysilane. Infrared spectroscopy has shown the formation of an Si-O-Si amorphous shell on the surface of a magnetite nanoparticle.
Keywords: magnetite nanoparticles, iron oxide, nanoparticles, magnetite, core-shell structure, nanostructure.
Синтез и исследование свойств структур Fe3O4@SiO2 типа ядро-оболочка с контролируемой толщиной оболочки SiO2 являются приоритетными направлениями современной науки за счет создания на поверхности магнитной наночастицы инертной оболочки, препятствующей окислению наночастицы Fe3O4 и позволяющей наилучшему их распределению в среде при создании композиционных материалов, содержащих магнитные наночастицы. Также возможнафункциализация поверхности флуорофорами для использования в качестве средства для флуоресцентной магнитной дефектоскопии.
В настоящей работе исследовали влияние увеличения количества тэтраэтоксисилана (ТЭОС) на толщину оболочки. Синтез наночастиц проводили в соответствии с методикой, представленной в работе [1]. Оболочку SiO2 на поверхности наночастицы Fe3O4получали по следующей методике:
1 - наночастицы диспергировали в бидистиллированной воде с ТЭОС (0.6, 0.8, 1.2 мл);
2 - добавляли изопропиловый спирт (соотношение вода/изопропиловый спирт = 1/10) и аммиак;
3 - полученную смесь механически перемешивали в течение 24 часов; 4 - осадок отделяли при помощи постоянного магнита, многократно промывали и сушили при комнатной температуре.
На основании ПЭМ микрофотографий (рис.1) были рассчитаны средние толщины оболочек диоксида кремния на поверхности наночастиц.
200 nm
Рис. 1 ПЭМ микрофотографии структур FeзO4@SЮ2Tипа ядро-оболочка при добавлении различного количества ТЭОС: а) 0.8 мл, б) 0.6 мл
Средняя толщина оболочки SiO2при введении в систему 0.6 мл ТЭОС составляла 34 нм; при добавлении 0,8 мл - 42 нм; при добавлении 1,2 мл оболочка формировалась как вокруг наночастиц, так и отдельно, не позволяя провести точный расчет. Наличие аморфной фазы на углах 0 от 10 до 25 ° подтверждено исследованиями рентгенофазового анализа.
Распределения (Ы, %) толщины обололочек (5, нм) по размерам представлены на рис. 2. Отклонение от средней толщины оболочки состалило не более 10 % доя обоих образцов.
,v, х
а
Рис. 2 Гистограммы распределения толщин оболочек SЮ2 структур FeзO4@SЮ2типа ядро-оболочка при добавлении различного количества ТЭОС: а) 0.8 мл, б) 0.6 мл
Исследование методом ИК-Фурье
спектроскопией показало, что пик максимума интенсивности (А), приходящийся на длину волны 1093-1101 см -1 (рис.3), характерен для соединений Si-O-Si.
Рис. 3 Сравнение ИК - спектров структур FeзO4@SЮ2 (2) типа ядро-оболочка и SiO2 (1)
В результате работы было выявлено влияние прекурсора оксида кремния на формирование структуры Fe3O4@SiO2типа ядро-оболочка.
Показано, что на поверхности магнетитового ядра присутствует аморфная фаза SiO2. Выявлено, что для изменение толщины оболочки контролируется количеством прекурсора в системе.
На рис.4 приведены кривые изменения массы (ТГ), теплового потока (ДСК) и производная от кривой изменения массы (ДТГ) образца Fe3O4@SiO2; экзотермические пики направлены вниз.
Рис. 4 Кривые ТГ (3), ДСК (2) и ДТГ (1) образца Fe3O4@SiO2
Сразу после начала измерения наблюдается значительное уменьшение массы образца (9,38% на первой стадии). При дальнейшем нагревании наблюдаются еще минимум две стадии потери массы: - вторая стадия - 2,14% массы. Пиковая температура: 1189,7°С на кривой ДТГ. - третья стадия - 2,19% массы, но по форме ТГ кривой и ДТГ кривой можно утверждать, что данный процесс не завершен до конца. На кривой ДСК наблюдаются несколько эндотермических тепловых эффектов. Первый эффект наблюдается при 651,3°С (температура пика). По форме пика видно, что протекают одновременно несколько процессов, сопровождающиеся поглощением теплоты. Энтальпия составляет 183,9 Дж/г. При дальнейшем нагревании наблюдаются эндотермические эффекты при 1.236,5°С и 1.318,7°С (температуры пика). Два пика достаточно хорошо разрешаются. Энтальпия составляет 162,3 Дж/г и 53,04 Дж/г соответственно. При дальнейшем нагревании при 1.419,1°С наблюдается комплексный процесс, состоящий из нескольких эффектов поглощения теплоты, основным из которых, возможно, является процесс плавления. Общая энтальпия 432,9 Дж/г. Таким образом, сравнивая количество стадий изменения массы, температуры фазовых переходов, можно утверждать, что образуется структура Fe3O4@SiO2 типа ядро-оболочка.
Список литературы
1. Muradova A.G., Zaytseva M.P., Sharapaev A.I., Yurtov E.V., Influence of temperature and synthesis time on shape and size distribution of Fe3O4 nanoparticles obtained by ageing method // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects - 2016. - 509. -С. 229-234.
