CC BY
101
Сведения об авторах
Палатников Михаил Николаевич,
д.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, palat_mn@chemy.kolasc.net.ru Щербина Ольга Борисовна,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, shcerbina@chemy.kolasc.net.ru Ефремов Вадим Викторович,
к.т.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН,
г. Апатиты, Россия, efremov@chemy.kolasc.net.ru Сидоров Николай Васильевич,
д. ф.-м.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В.Тананаева КНЦ РАН, г.Апатиты, Россия, sidorov@chemy.kolasc.net.ru
Салак Андрей Николаевич,
к.ф.-м.н., Университет Авейру, Центр исследований в керамике и композиционных материалах (CICECO), 3810-193 Авейру, Португалия, salak@cv.ua.pt
Palatnikov Mikhail Nikolaevich,
Dr.Sc. (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, palat_mn@chemy.kolasc.net.ru Shcherbina Olga Borisovna,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, shcerbina@chemy.kolasc.net.ru Efremov Vadim Viktorovich,
PhD (Engineering), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, efremov@chemy.kolasc.net.ru Sidorov Nikolay Vasilevich,
PhD (Physics and Mathematics), I.V.Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, sidorov@chemy.kolasc.net.ru Salak Andrei Nikolaevich,
PhD (Physics and Mathematics), Department of Ceramics and Glass Engineering / CICECO, University of Aveiro, 3810-193 Aveiro, Portugal, salak@cv.ua.pt
УДК 66.0 + 544.47
РАЗРАБОТКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ТИПА «ЯДРО/ОБОЛОЧКА»
С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИХ НАГРЕВА ПОЛЕМ СВЧ
Е.В. Ребров12
1Тверской государственный технический университет, г.Тверь, Россия
2Университет Уорвик, Ковентри, Великобритания
Аннотация
В последние несколько лет активно развивается технология новых композитных магнитоотделяемых материалов для процессов тонкого органического синтеза в непрерывном потоке. Нами получены композитные материалы NixZni-xFe2O4@SiO2@TiO2 типа «ядро/оболочка» методом золь-гель превращения в несколько этапов. На первом этапе был проведен синтез материала ядра, т.е. NixZni-xFe2O4. Соотношение масс ядро:оболочка варьировали в интервале от 2:1 до 14:1, при этом кристаллы ядра выступали центрами кристаллизации при синтезе материала оболочки. Внешняя оболочка образована оксидом титана (с возможностью варьирования его фазового состава и морфологии) и отделена от ядра тонкой пленкой оксида кремния, необходимой для предотвращения твердофазных реакций на границе раздела. Полученные материалы обладают высокой удельной поверхностью и демонстрируют значения коэффициента тепловыделения в поле СВЧ до 1 Вт/г. Полученные материалы имеют практическое применение в химических процессах и медицине.
Ключевые слова:
СВЧ-нагрев, магнитоотделяемые катализаторы, феррит никеля.
453
DEVELOPMENT OF NOVEL CORE-SHELL COMPOSITE MAGNETIC MATERIALS FOR RADIOFREQUENCY HEATING
E.V. Rebrov12
1Tver State Technical University, Tver, Russia 2The University of Warwick, Coventry, Great Britain
Abstract
During last few years, various composite magnetic materials have been developed for continuous synthesis of fine chemicals in flow reactors. NixZm-xFe2O4@SiO2@TiO2 composite materials were developed by sol-gel synthesis in several steps. In the first step, a NixZn1-xFe2O4 magnetic core was formed. The weight ratio of nickel-zinc ferrite to the outer shell material was varied in the range from 2:1 to 14:1. Under these conditions, the crystallization of the shell occurred onto the surface of the core. The outer shell was formed by titania. Its phase composition and morphology could be tuned according to applications. The titania shell was separated from the magnetic core by a thin silica layer which prevented the interaction of ferrite nanoparticles with the titania layer. The obtained materials demonstrated high specific surface area and a high specific absorption rate of up to 1 W/g under RF field. They demonstrated high catalytic activity in several chemical reactions and are applied in medical technology.
Keywords:
radiofrequency heating; magnetic catalysts, nickel ferrite.
Наночастицы, обладающие магнитными свойствами, привлекают внимание исследователей, поскольку могут быть использованы в различных областях науки и технологий, в том числе в катализе реакций органического синтеза, в медицине и фармацевтической промышленности [1, 2]. Создание магнитоотделяемых композитных систем обеспечивает легкое отделение катализаторов от реакционной смеси при наложении внешнего магнитного поля, а также их повторное использование. Это позволяет создавать экологически чистые процессы. Преимущества от внедрения новых технологий, главным из которых является уменьшение образования побочных продуктов, позволяют компаниям снижать издержки производства.
Нами разработан метод золь-гель синтеза магнитоотделяемых материалов с морфологией «магнитное ядро - мезопористая оболочка». На первом этапе получены изолированные наночастицы различных ферритов никеля [3]. Покрытие этих наночастиц непористой пленкой SiO2 и затем мезопористым слоем оксида титана позволило получить материалы, обладающие высокой удельной поверхностью и демонстрирующие значения коэффициента тепловыделения в поле СВЧ до 1 Вт/г. Соотношение масс ядро:оболочка варьировали в интервале от 2:1 до 14:1, при этом кристаллы ядра выступали центрами кристаллизации при синтезе материала оболочки. Рентгенофазовый анализ показал наличие компонентов в заданных соотношениях. Средний размер кристаллитов композита составляет 50-60 мкм.
Композитные системы NixZni-xFe2O4@SiO2@TiO2 были исследованы методами растровой электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, ИК-спектроскопии, адсорбции азота и кривыми магнитной восприимчивости.
Композитные системы показали высокую активность и стабильность в реакции синтеза амидов из соответствующих карбоновых кислот и аминов в проточном реакторе под воздействием поля СВЧ-частотой 300 кГц. Выход продуктов был в 3-5 раз выше по сравнению с аналогичными однофазными системами на основе оксида титана, что связано с увеличением теплопереноса от ядра к активным центрам катализатора в композитных системах.
Литература
1. Mechanochemical synthesis of TiO2/NiFe2O4 magnetic catalysts for operation under RF field / T. Houlding, P. Gao,
K. Tchabanenko, E.V. Rebrov // Mater. Sci. Eng. B. 2015. Vol. 193. P. 175-180.
2. Direct amide formation using radiofrequency heating / T. Houlding, K. Tchabanenko, Md.T. Rahman, E.V. Rebrov // Organic Biomolecular Chem. 2013. Vol. 11. P. 4171-4177.
3. Effect of Pr3+ substitution on the microstructure, specific surface area, magnetic properties and specific heating rate of Nia5Zna5PrxFe2-xO4 nanoparticles synthesized via sol-gel method / B. Yan, P. Gao, Z. Lu, R. Ma, E.V. Rebrov,
H. Zheng, Y. Gao // J. Alloy Compounds. 2015. Vol. 639. P. 626-634.
Сведения об авторе
Ребров Евгений Викторович,
д.т.н., PhD (Chemistry), Тверской государственный технический университет, Тверь, Россия; Университет Уорвик, Ковентри, Великобритания, e.rebrov@warwick.ac.uk
Rebrov Evgeny Victorovich,
Dr. Sc. (Engineering), PhD (Chemistry), Tver State Technical University, Tver, Russia; The University of Warwick, Coventry, Great Britain, e.rebrov@warwick.ac.uk
454
