Влияние условий синтеза на формирование структуры Fe3O4@SiO2 типа ядро-оболочка Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Успехи в х&мии и ехнологии. ТОМ XXX. 2016. № 12

УДК 66.091.1

Н.К. Сидельников1, М.П. Зайцева1, И.С. Гребенников2, А.Г. Мурадова1, Е.В. Юртов1, А.Г. Савченко2

Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева 125047 Россия, Москва, Миусская пл., 9

2 ФГАОУ ВП государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «Московский институт стали и сплавов» 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 4

e-mail: zaytseva.maria.1993@,mail.ru

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ Fe3O4@SiO2 ТИПА ЯДРО-ОБОЛОЧКА

Проведено исследование влияния соотношения вода/спирт на формирование оболочки SiO2 на поверхности наночастиц Fe3O4. Было выявлено, что изменение соотношение вода/спирт от 1/5 до 1/10 не влияет на толщину оболочки. По результатам просвечивающей электронной микроскопии средняя толщина оболочки SiO2 не изменяется. Данные ПЭМ коррелируют с данными РФА, где объемная доля диоксида кремния во всех образцах одинакова.

Ключевые слова: оксид железа, наночастицы, магнетит, структура ядро-оболочка.

Наночастицы оксидов железа находят широкое применение в различных областях науки и техники. Модификация поверхности наночастиц оксидов железа неорганическими покрытиями способствует защите их от внешних воздействий (например, от окисления кислородом воздуха) и существенно расширяет практическое применение

функциональных материалов. Поэтому актуальным является получение наночастиц структуры типа ядро-оболочка с контролируемой толщиной оболочки SiO2.

В настоящей работе наночастицы Fe3O4 со средним размером 80 нм были получены методом старения при контролировании температуры и продолжительности синтеза. Образцы

нанопорошков Fe3O4 были исследованы методом просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии.

Оболочка SiO2 на поверхности наночастиц получена модифицированным методом Штобера [1]. Образование оболочки из диоксида кремния на поверхности наночастиц по методу Штобера заключается в гидролизе с последующей поликонденсацией алкоксисилановых групп в водно-спиртовом растворе. В качестве катализатора данного процесса выступает гидроксид аммония. Преимуществами данного метода является то, что он не требует больших материальных затрат, не требует сложного аппаратурного оформления, позволяет достаточно точно контролировать толщину оболочки диоксида кремния.

Была приготовлена водно-спиртовая суспензия наночастиц Fe3O4. Для этого 45 мг нанопорошка

Fe3O4 были смешаны с бидистиллированной водой и изопропиловым спиртом и подвергнуты ультразвуковому воздействию. К суспензии был добавлен гидроксид аммония (20 масс.%), выступавший в качестве катализатора процесса гидролиза. После этого, при интенсивном механическом перемешивании к суспензии был добавлен ТЭОС для получения оболочки диоксида кремния. Перемешивание продолжали в течение 24 часов, после этого осадок был отделён, промыт водой и высушен при комнатной температуре. Таким образом, была получена структура Fe3O4@SiO2 типа ядро-оболочка.

Был проведен ряд экспериментов при варьировании соотношения вода/ спирт в системе 1/5 и 1/10, полученная оболочка имела среднюю толщину 44 нм. Средняя толщина оболочки была определена методом ПЭМ.

Качественный и количественный анализ порошков методом рентгенофазового анализа показал, что в покрытых образцах наблюдается присутствие наряду с фазой магнетита аморфной фазы (на углах 24-30 град.), которой в исходном образце не обнаружено, что свидетельствует о возможном наличии тонкой оболочки диоксида кремния на поверхности частиц магнетита. Было показано, что объемная доля диоксида кремния в образцах одинакова. Также следует отметить постоянство положений линий на рентгенограмме, что свидетельствует об отсутствии воздействия оболочки на структуру ядра-магнетита.

Успехи в химии и ехрологии. ТОМ XXX. 2016. № 12

^_ fit 1 \ Л A fa Si6 f—'M - 1/10

к П W- d tjSxztiJ _ % /v_

20 30 41) W 00 70 М ■><> 100 12«

19

Рис.1 Сравнительный РФА наночастиц Fe3O4 и структур Fe3O4@SiO2

Зайцева Мария Павловна, аспирант и ведущий инженер кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Сидельников Николай Константинович, студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Мурадова Айтан Галандар кызы, доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Юртов Евгений Васильевич, и.о. ректора, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии, профессор, член-корр. РАН, доктор химических наук, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева

Гребенников Иван Сергеевич, аспирант, инженер 1-категории кафедры физического материаловедения, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Савченко Александр Григорьевич, к.ф.-м.н., заведующий кафедрой Физического материаловедения, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Литература

1. W. Stober, A. Fink Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range // Department of Radiation Biology and Biophysics, Medical School, University of Rochester. - January 1968. Volume 26, Issue 1, Pages 62-69.

2. Geani Maria Ucoski, Fabio Souza Nunes. Metalloporphyrins immobilized on silica-coated Fe3O4 nanoparticles: Magnetically recoverable catalysts for the oxidation of organic substrates // Applied Catalysis A: General 459 -2013, Pages 121-130.

3. Jianfei Zhang, Chengyi Chu, Aihua Sun, Si Ma, Xuanxuan Qiao a, Chongyang Wang, Jianjun Guo, Zhixiang Li, Gaojie Xu Double-sided structural color of Fe3O4@ SiO2 nanoparticles under the electric field // Journal of Alloys and Compounds 654. - 2015, Pages 251-256

Nikolay K. Sidelnikov1, Maria P. Zaytseva1, Ivan S. Grebennikov2, Aytan G. Muradova1, Evgeny V. Yurtov1, Alexander G. Savchenko2

1 Dmitry Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Miusskaya sq. 9, 125047 Moscow, Russia

2 The National University of Science and Technology MISiS 119991 Moscow, Russia. Leninsky av., Москва, e-mail: zaytseva.maria.1993@mail.ru

THE EFFECT OF PARAMETERS ON THE FORMATION OF Fe3O4@SiO2 CORE-SHELL STRUCTURE

Abstract. It was investigated the effect of the ratio of water / alcohol on the formation of SiO2 coating the surface of Fe3O4 nanoparticles. It was found that the change in the ratio water / alcohol of 1/5 to 1/10 does not affect the thickness of the shell. According to the results of transmission electron microscopy, the average thickness of the shell does not change SiO2. TEM data correlated with data XRF where the volume fraction of silica in all samples is identical.

Keywords: iron oxide, nanoparticles, magnetite, core-shell