Пошук по сайту


Дослідження особливостей синтезу та властивост

Дослідження особливостей синтезу та властивост

Сторінка1/4
  1   2   3   4


КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА



КАФЕДРА НЕОРГАНІЧНОЇ ХІМІЇ

Кваліфікаційна робота бакалавра

на тему:

Синтез нанорозмірних феромагнітних оксидних матеріалів з мікроемульсій


Cтудента ІV курсу кафедри неорганічної хімії

Фатєєва Євгена Дмитровича

Науковий керівник

К.х.н., науковий співробітник

Інституту загальної та неорганічної хімії

ім. В.І. Вернадського НАН України

Солопан Сергій Олександрович

Допустити до захисту

завідувач кафедри, д.х.н., професор Слободяник М.С.
Київ-2011

Зміст

Перелік умовних позначень та скорочень

3

Вступ

4

Розділ 1. Літературний огляд




1.1. Манганіти лантану. Хімічний склад, структура, області застосування.

7

1.2. Феромагнітні оксиди зі структурою шпінелі. Хімічний склад, структура, області застосування..

12

1.3. Методи синтезу нанорозмірних часток феромагнітних оксидних матеріалів.

17

1.4. Мікроемульсія як реактор для хімічного синтезу. Основні уявлення про мікроемульсії і їх використання.

20

1.5. Аналіз літературних даних та обґрунтування задач, поставлених в роботі

26

Розділ 2. Вихідні матеріали, методи синтезу та досліджень




2.1. Вихідні реагенти

27

2.2. Методи синтезу

27

2.3. Методи досліджень та аналізу

29

Розділ 3. Особливості синтезу нанорозмірних часток феромагнітних оксидних матеріалів з міцелярних розчинів .




3.1. Дослідження особливостей синтезу та властивостей сполуки Fe3O4 з мікроемульсій.

33

3.2. Дослідження особливостей синтезу та властивостей сполуки La0.775Sr0.225MnO3 з мікроемульсій.

39

Висновки

43

Список цитованої літератури

44


Перелік умовних позначень та скорочень

a - параметр кристалічної ґратки

b - параметр кристалічної ґратки

c - параметр кристалічної ґратки

d - розмір зерен

dср - середній розмір зерен

PE - пікнометрична питома густина

PР - рентгенівська питома густина

T - температура спікання

VK - об’єм елементарної комірки

х - ступінь гетеровалентного заміщення

КЧ - координаційне число

TEM – просвічуюча електронна мікроскопія (transmission electron microscopy)

ПАР – поверхнево-активна речовина

MR – магнітоопір

Z – кількість формульних одиниць в елементарній комірці

ГТ – гіпертермія

ТС – температура Кюрі

ПАР – поверхнево-активна речовина (сурфактант)

Вступ
Актуальність теми.

На сьогоднішній день дослідження присвячені синтезу та вивченню властивостей наночасток і нанорозмірних структур мають широкий науковий та практичний інтерес [1, 2]. Особливий інтерес в цьому напрямку викликають процеси самоорганізації наночасток під час їх синтезу [3, 4, 5], що обумовлено кількома причинами. По-перше, самоорганізація часток може впливати на властивості синтезованих на їх основі матеріалів, що може призводити як до погіршення, так і до покращення властивостей. По-друге, розуміння закономірностей, що протікають під час самоорганізації нанорозмірних об’єктів дозволяє маніпулювати їх властивостями та може бути використано при розробці потенційних елементів робочих пристроїв [6].

Серед цілого ряду нанорозмірних об’єктів (наноплівки, нанотрубки, наночастки, квантові точки) особливу увагу дослідників привертають саме наночастки, адже вони можуть бути вихідними реагентами як при створенні товстих плівок, так і керамічних функціональних матеріалів [7]. Крім того, наночастки можуть використовуватись самі по собі за рахунок своїх функціональних властивостей [8]. Потрібно зазначити, що на сьогоднішній день існує велика кількість методів синтезу нанорозмірних часток, це такі методи як: осадження із розчинів, золь-гель синтез, спрей-піроліз та інші [9]. Проте використання зазначених методів синтезу, як правило, призводять до одержання сильноагломерованих наночасток [10]. Зазвичай для одержання однофазних продуктів під час синтезу необхідно проводити термообробку при високих температурах, що веде до значного збільшення розмірів зерен та не дозволяє одержувати нанорозмірні частки. Крім того, одержання наночасток у водних розчинах із вузькою дисперсністю по розміру є складною проблемою, оскільки в таких системах не вдається контролювати процеси зародження, росту часток та дозрівання осаду. Ці процеси важко розділити, що істотньо підвищує агломерацію наноструктур.

Основним недоліком агломерованих наночасток є зменшення їх реакційної здатності при спіканні керамічних матеріалів (це призводить до погіршення їх властивостей), неможливість використання в медичних цілях, що пов’язано з великими розмірами агрегатів, що утворюються. Крім того агрегація наночасток не дозволяє створювати на їх основі багатошарові композиційні структури типу ядро-оболонка. Зазначені проблеми окреслюють перспективи можливих досліджень в області хімії нанорозмірних матеріалів.

На сьогоднішній день основні світові дослідження по синтезу неагломерованих нанорозмірних часток проводяться як в напрямку запобігання агломерації наночасток під час синтезу, так і зниженню температури синтезу наноматеріалів [11, 12, 13].

Одним із можливих шляхів одержання неагломерованих наночасток може бути синтез у неводних розчинах. Зокрема значний інтерес представляють методи синтезу наночасток з обернених мікроемульсій, використання яких може дозволити контролювати процес росту часток, за рахунок різних розмірів внутрішніх порожнин міцел, а також буде запобігати агломерації утворених наночасток.

Потрібно також зазначити, що серед різних типів матеріалів на сьогоднішній день найбільш актуальним є дослідження, присвячені синтезу магнітних наночасток для біомедичного застосування [14, 15, 16]. Феромагнітні наночастки мають великий потенціал у ролі нових інтрасудинних та клітинних біозондів як для діагностики (МРТ зображення), так і для терапії (доставка засобів генної терапії та звичайних лікарських препаратів). Перспективним є використання наночасток в онкології, зокрема у цілеспрямованій доставці протипухлинних агентів та ранньому виявленні пухлинних клітин [17, 18, 19, 20]. Проте для практичного застосування цих матеріалів вони повинні задовольняти ряд вимог, а саме: бути неагломерованими, мати розміри 5-15 нм, характеризуватися малою величиною коерцитивної сили.

Враховуючи вищезазначені проблеми й методи їх вирішення, є всі підстави припустити, що саме розробка нових методів синтезу неагломерованих наночасток феромагнітних матеріалів з обернених мікроемульсій, є актуальною проблемою. Вирішення цієї проблеми буде сприяти широкому застосуванню феромагнітних наноматеріалів у клінічній практиці.
Мета і завдання дослідження. Дослідження особливостей синтезу неагломерованих нанорозмірних часток Fe3O4 та La0.775Sr0.225MnO3 з обернених мікроемульсій, а також вивчення впливу різних умов синтезу (температура синтезу, різні поверхнево-активні речовини) на фізико-хімічні властивості синтезованих матеріалів.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні задачі:

  1. Вивчити можливість синтезу неагломерованих нанорозмірних часток Fe3O4 з обернених мікроемульсій. Синтезувати нанорозмірні неагломеровані наночастки з розмірами 5-15 нм, які характеризувалися б вузькою дисперсністю за розміром та малою величиною коерцитивної сили. Дослідити вплив різних типів поверхнево-активних речовин (обернених мікроемульсій) на властивості синтезованих наночасток.

  2. Провести синтез нанорозмірних часток феромагнітних твердих розчинів складу La0.775Sr0.225MnO3 з обернених мікроемульсій. Вивчити процеси, що відбуваються при синтезі та дослідити вплив різних типів обернених мікроемульсій на властивості синтезованих наночасток.


Об’єкти досліджень. Феромагнітні тверді розчини зі структурою шпінелі та перовскіту, а саме: оксид заліза Fe3O4 та La0.775Sr0.225MnO3.

Предмет досліджень. Хімічні процеси, які мають місце при синтезі нанорозмірних феромагнітних матеріалів Fe3O4 та La0.775Sr0.225MnO3 з мікроемульсій, їх структурні і електрофізичні властивості.

Методи досліджень. Об’ємний метод хімічного аналізу; рентгенофазовий аналіз; повнопрофільний рентгенівський аналіз по методу Рітвельда; електронна мікроскопія (TEM); дослідження електрофізичних властивостей.

Розділ 1. Літературний огляд

1.1. Манганіти лантану. Хімічний склад, структура, області застосування.
Манганіти — складні оксидні матеріали на основі марганцю, представники класу оксидів перехідних металів. Структура оксидів R1-xMxMnO3 (R – рідкісноземельний елемент, M = Ba, Sr, Ca та ін.) близька до структури кубічного перовскіту. Елементарна комірка перовскіта CaTiO3, від якого походить назва структури, зображена на рис. 1.1 [21]. Великі за розмірами тривалентні іони R та двовалентні іони M займають вузли A з координаційним числом 12. Менші іони Mn, які перебувають як у іонізаційному стані Mn3+, так і Mn4+, розміщені у центрі кисневого октаедру, займаючи вузли B з координаційним числом 6. Для стехіометричного оксиду частка іонів Mn, які перебувають у валентних станах 3+ та 4+, дорівнює 1 – x та x, відповідно [22].

В області низьких температур манганіти мають кристалічну гратку з більш низькою симетрією, ромбоедричною або орторомбічною (рис. 1.2) [23].

Сполуки структурного типу ABO3 відносяться до більш загального класу сполук – фаз Раддлесдена-Поппера, які характеризуються загальною формулою (R,M)n+1MnnO3n+1. Вони містять n зв’язаних шарів октаедрів MnO6, розділених шарами (R,M)O зі структурним впорядкуванням типу кам’яної солі. n = ∞ відповідає звичайному перовскіту (див. рис. 1.1).

Деякі сполуки з n = 1,2 можуть бути отримані у вигляді монокристалів, але для n = 3 досяжні лише тонкі плівки [24]. Структура La2-2xSr1+2xMn2O7 містить подвійні шари Mn, відділені один від одного немагнітними шарами. Ця квазідвомірна структура приводить до оригінальних анізотропних магнітних та електричних властивостей [Error: Reference source not found, 25].


Рис. 1.1. Схематичний вигляд кубічної перовскітної структури ABO3.
Рис. 1.2. Схематичне зображення орторомбічно (зліва) та ромбоедрично (справа) деформованої перовскітної структури.


Для багатьох матеріалів, що мають структуру перовскіту, є характерним наявність структурних деформацій, фізична природа яких обумовлена електронною конфігурацією [26]. В кубічному перовскіті LaMnO3 структурні деформацій можуть бути викликані ян-телерівським ефектом (рис. 1.3).



Рис. 1.3. Схематичне зображення ян-телерівської деформації кубічної структури LaMnO3

Магніторезистивні властивості манганітів. Підвищений інтерес до цих матеріалів зумовлений наявністю в них ефекту колосального магнітоопору, який виявляється у значній (на декілька порядків) зміні електричного опору під дією зовнішнього магнітного поля (рис. 1.4) МR = [(H) – (0)] / (H), де (H) – питомий опір при дії зовнішнього магнітного поля напруженістю Н, (0) – питомий опір без прикладеного магнітного поля. Головним чином завдяки цьому ефекту їх розглядають як перспективні матеріали для розробки нового покоління магнітних сенсорів і пристроїв зчитування магнітної інформації [27, 28].



Рис. 1.4. Температурна залежність питомого електричного опору складних манганітів; ТC – температура Кюрі; Н – напруженість магнітного поля.
Ефект колосального магнітоопору в манганітах обумовлений існуванням в них просторово неоднорідного магнітного упорядкування, яке призводить до перколяційного переходу метал-напівпровідник, що підтверджується даними електричних та магнітних досліджень [29]. Для пояснення ефекту колосального магнітоопору було запропоновано декілька теорій: подвійного обміну [30]; поляронного ефекту [31]; фазового розділення, що комбінується з перколяцією [32].

Найбільш точне пояснення ефекту колосального магнітоопору має теорія подвійного обміну. Магнітні властивості манганітів визначаються обмінними взаємодіями між спінами іонів Mn. Для магнітних моментів іонів Mn, розділених атомом кисню, ці взаємодії є досить сильними [Error: Reference source not found, Error: Reference source not found]. Енергія взаємодії визначається ступенем перекриття між d-орбіталями Mn та p орбіталями O. Можна сказати, що для Mn4+-O-Mn4+ взаємодія завжди є антиферомагнітною (AF), а для Mn3+-O-Mn3+ вона може бути феромагнітною (F) або AF, в залежності від низки параметрів, зокрема від відстані між іонами мангану [33].

Особливо цікавим є випадок Mn4+-O-Mn3+, для якого іони Mn можуть обмінюватись своєю валентністю шляхом стрибків eg-електрона іона Mn3+ на p орбіталь кисню та з неї на порожню орбіталь Mn4+. Цей механізм запропонований Зенером і названий подвійним обміном (double exchange - DE), призводить до сильної феромагнітної взаємодії [34]. Ймовірність такого переходу електрона від Mn3+ до сусіднього Mn4+ дорівнює t0cos(/2), де t0 – амплітуда міжвузельних переходів, а - кут між спінами іонів Mn (рис. 1.5) [35]. Процес електронного переходу знімає виродження конфігурацій Mn3+-O-Mn4+ та Mn4+-O-Mn3+, що призводить до появи двох енергетичних рівнів Et=0t0cos(/2). Той факт, що феромагнітна металічна фаза (FM), в основі якої лежить подвійний обмін, є найбільш стійкою поблизу x = 1/3 [36], узгоджується з цією моделлю.



Рис. 1.5. Схема подвійного обміну між різновалентними іонами мангану
Електро- та магнітоопір манганітів характеризується максимумом в точці Кюрі (ТС) – температури переходу від феромагнітного до парамагнітного стану [37]. Найбільш важливим параметром, що впливає на ТС, є співвідношення Mn3+/Mn4+, а також середній радіус йонів в підгратці А (RA) та наявність кисневої нестехіометрії [38, 39].

Мікроструктура та її вплив на електрофізичні властивості. В манганітах лантану взаємозв’язок між особливостями мікроструктури і електричними, магнітними та магніторезистивними властивостями вивчався в роботі [40]. В цій роботі було показано, що зниження температури спікання кераміки призводить до зменшення середнього розміру зерна, а отже – до збільшення частки міжзеренної області в об’ємі зразка. Враховуючи, що остання є структурно- та магнітно- розупорядкованою порівняно з внутрішньою частиною зерна [41, 42], можна очікувати, що ступінь магнітної неоднорідності зразків буде зростати при зменшенні температури спікання (рис. 1.6). Як видно з рис. 1.7, при зниженні температури всі зразки переходять в феромагнітний стан. Залежності R(T) для різних зразків мають однаковий характер у парамагнітній області, але помітно відрізняються поблизу та нижче температури Кюрі.




Рис. 1.6. Температурні залежності електричного опору у нульовому полі та у полі H = 15 кЕ для зразків, отриманих при різних температурах (температура нормована до температури максимуму на кривій) [Error: Reference source not found].
  1   2   3   4

поділитися в соціальних мережах



Схожі:

Хімія І технологія органічних речовин значення органічного синтезу І його перспективи
У двадцятому сторіччі як джерело органічної сировини основну роль стали грати нафта й газ. На цих трьох видах сировини тепер І базується...

Дослідження. Метою
Це новий напрямок використання бентонітових глин, що й обумовлює актуальність обраної теми дослідження

Квантово-хімічне дослідження будови
Квантово-хімічне дослідження будови та електронно-спектральних властивостей електролюмінесцентного комплексу цинку

Методичні рекомендації щодо організації дослідження
Методичні рекомендації щодо організації дослідження та оформлення науково-дослідницьких робіт (на допомогу слухачам Малої академії...

Ш. А. Амонашвили Как любить детей
Обидно, что педагогическая наука не стремится к синтезу с педагогическим искусством, с тем, чтобы на этой основе стать мощным двигателем...

Аналіз особливостей історичних етапів взаємодії суспільства І
Який історичний етап відзначився значним впливом людини на природу? Із чим це пов’язано?

Крок 1 Фармація (іноземні студенти) 2014 рік Біологічна хімія
У хворого в крові підвищений вміст хіломікронів, особливо після вживання їжі, збагаченої жирами, виявлено гіперліпопротеїнемію І...

Обмін речовин та енергії
Процес обміну — основна властивість живого. У цитоплазмі клітин органів І тканин постійно відбуваєть­ся процес синтезу складних високомолекулярних...

Наше століття часто називають століттям синтетичної хімії. Дуже багато...
Навчилася вона одержувати І синтетичні волокна, тобто такі, основу яких складають не природні високомолекулярні речовини, а синтетичні...

Екологія І природокористування, 2002, Випуск 4
України (Дніпропетровська). Величина навантаження метала на оточуюче середовище міста є функцією різних типів підприємств та залежить...



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації

h.lekciya.com.ua
Головна сторінка