Синтез и физико-химические свойства твердых растворов MnxFe3-xO4

Аннотация

Ферримагнитные наночастицы используются в биотехнологии, например, как носители лекарств и биосенсоры, компоненты диагностических наборов, контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии, в катализе, в электронике, при изготовлении магнитных жидкостей,  магнитореологических суспензий и других областях техники. Применение магнитных наночастиц требует высоких магнитных характеристик, в частности, больших значений величины намагниченности насыщения. Цель работы – при комнатной температуре получить однофазные магнитные наночастицы твердых растворов MnxFe₃–_xO₄, исследовать зависимость изменения их структуры, морфологии и магнитных свойств от степени замещения для поиска диапазона составов с наибольшим значением намагниченности.
Методом соосаждения из водных растворов солей синтезирована серия порошков Mn-замещенного магнетита MnxFe_3–xO₄ (x = 0 – 1.8). С использованием методов магнитного анализа, рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии, ИК-спектроскопии исследованы его структурные и микроструктурные особенности, магнитные свойства.
Данные рентгенофазового анализа и инфракрасной спектроскопии подтверждают образование однофазных соединений со структурой кубической шпинели. Максимальный рост намагниченности насыщения по сравнению с незамещенным магнетитом обнаружен для состава Mn_0.3Fe_2.7O₄ (Ms = 68 А·м²·кг–1 при 300 K и Ms = 85 А·м²·кг–1 при 5 K), что связано с изменением катионного распределения в тетраэдрических и октаэдрических пустотах. Предложен способ управления магнитными свойствами магнетита путем частичного замещения ионов железа в структуре магнетита марганцем. Установлена возможность влиять на намагниченность и коэрцитивную силу порошков путем изменения степени замещения, при этом максимальная намагниченность соответствует порошку состава Mn_0,3Fe,₂₇O₄. Cравнительно высокие значения удельной намагниченности в сочетании с однородным размером

наночастиц, полученных предложенным способом, могут представлять интерес для ряда приложений, в частности, получения магнитореологических жидкостей и формирования магнитоуправляемых капсул с целью адресной доставки лекарств и диагностики заболеваний в биологии и медицине (магнитная резонансная томография).

ЛИТЕРАТУРА

1. Губин C. G., Кокшаров Ю. А., Хомутов Г. Б.,
Юрков Г. Ю. Магнитные наночастицы: методы
получения, строение и свойства. Успехи химии.
2005;74(6): 539–574. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=9085819
2. Skumryev V., Stoyanov S., Zhang Y., Hadjipanayis
G., Givord D., Nogués J. Beating the
superparamagnetic limit with exchange bias. Nature.
2003;423(6943): 850–853. DOI: https://doi.org/10.1038/nature01687
3. Joseph A., Mathew S. Ferrofluids: synthetic
srategies, stabilization, physicochemical features,
characterization, and applications. ChemPlusChem.
2014;79(10): 1382–1420. DOI: https://doi.org/10.1002/cplu.201402202
4. Mathew D. S., Juang R.-S. An overview of the
structure and magnetism of spinel ferrite nanoparticles
and their synthesis in microemulsions. Chemical
Engineering Journal. 2007:129(1–3): 51–65. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2006.11.001
5. Rewatkar K. G. Magnetic nanoparticles:
synthesis and properties. Solid State Phenomena.
2016:241: 177–201. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.241.177
6. Tartaj P., Morales M. P., Veintemillas-Verdaguer
S., Gonzalez-Carre´no T., Serna C. J. The
preparation of magnetic nanoparticles for applications
in biomedicine. Journal of Physics D: Applied Physics.
2003: 36 (13): 182–197. DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3727/36/13/202
7. Вест А. Химия твердого тела. Теория и прило-
жения: В 2-х ч. Ч. 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 558 с.
8. Справочник химика: В 6 т. 2-е изд. Общие све-
дения. Строение вещества. Свойства важнейших
веществ. Лабораторная техника / [Гл. ред. Б. П. Ни-
кольский]. М. – Л.: Госхимиздат; 1963. Т. 1. 1071 с.
9.. Журавлев Г. И. Химия и технология ферритов.
Л.: Химия; 1970. с. 192.
10. Mason B. Mineralogical aspects of the system
FeO-Fe2O3-MnO-Mn2O3. Geologiska Föreningen i
Stockholm Förhandlingar. 1943;65(2): 97–180. DOI:
https://doi.org/10.1080/11035894309447142
11. Guillemet-Fritsch S., Navrotsky A., Tailhades
Ph., Coradin H., Wang M. Thermochemistry of iron
manganese oxide spinels. Journal of Solid State
Chemistry. 2005;178(1):106–113. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2004.10.031
12. Ortega D. Structure and magnetism in magnetic
nanoparticles. In: Magnetic Nanoparticles: From
Fabrication to Clinical Applications. Boca Raton: CRC
Press; 2012. p. 3–72. DOI: https://doi.org/10.1201/b11760-3
13. Kodama T., Ookubo M., Miura S., Kitayama Y.
Synthesis and characterization of ultrafine Mn(II)-
bearing ferrite of type MnxFe3-xO4 by coprecipitation.
Materials Research Bulletin. 1996:31(12): 1501–1512.
DOI: https://doi.org/10.1016/s0025-5408(96)00146-8
14. Al-Rashdi K. S., Widatallah H., Al Ma'Mari F.,
Cespedes O., Elzain M., Al-Rawas A., Gismelseed A.,
Yousif A. Structural and mossbauer studies of
nanocrystalline Mn2+ doped Fe3O4 particles. Hyperfine
Interact. 2018:239(1): 1–11. DOI: https://doi.org/10.1007/s10751-017-1476-9
15. Modaresi N., Afzalzadeh R., Aslibeiki B.,
Kameli P. Competition between the Impact of cation
distribution and crystallite size on properties of
MnxFe3-xO4 nanoparticles synthesized at room
temperature. Ceramics International. 2017:43(17):
15381–15391. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.08.079