بخشی از مقاله
چکیده
نانوذرات محتوی آهن بهروش الکترواکسایش ورقهی آهن در حضور بتاسایکلودکسترین رشد داده شدند. اثر دمای رشد بر مشخصات ساختاری نانوذرات مطالعه شد. ریزساختار ذرات ساخته شده با کمک دستگاههای پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی مطالعه شد. الگوی پراش پرتو ایکس نمونهها ،شکل گیری ساختار اسپینل مکعبی اکسید آهن را تأیید کرد. این نتایج نشان میدهند که در نمونهی ساخته شده در دمای 60 C فاز ثانویهای وارد نمونه میشود که میتوان با تغییر شرایط آزمایشگاهی و کاهش دمای الکترولیت از تشکیل آن جلوگیری کرد و ساختار نمونه را بهبود بخشید. تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان دادند که اندازهی میانگین نانوذرات اکسید آهن وابسته به دمای رشد آنها بوده و در بازهی 20 تا60 نانومتر متغیر است.
مقدمه
نانوذرات مغناطیسی با قابلیت کاربرد فراوان در بخشهای مختلف فنی و بیولوژیکی مانند ذخیرهسازی اطلاعات، جداسازی آلایندههای محیط زیست، حمل هدفمند دارو و بهعنوان کاتالیزگر در محیطهای شیمیایی مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته و عدهی زیادی از دانشمندان روشهای مختلف ساخت این دسته از نانوذرات را مورد مطالعه قرار دادهاند .[4-1] روش الکترواکسیداسیون بهعنوان یک روش توانمند و کارآمد با سازگاری در شرایط متعارفی محیط، سرعت بالای ساخت، بدون نیاز به تجهیزات گرانقیمت، روشی مقرون بهصرفه است که امکان تولید انبوه این نانوساختارها را فراهم آورده و خواص محصولات را به-خوبی تحت کنترل قرار میدهد .[7-5] اندازهی کوچک و نسبت سطح به حجم بالا در رسوب ذرات تهیه شده بهروش الکترواکسایش، زمینهای مناسب برای واکنشپذیری بالا در آنها فراهم میآورد. بنابراین پایدارسازی نانوذرات حین رشد بهمنظور کنترل اندازهی نانوذرات و ممانعت از به هم پیوستن و بزرگتر شدن اندازهی آنها امری بسیار ضروری مینماید. در تحقیق حاضر از مادهی آلی بتاسایکلودکسترین بهمنظور پایدارسازی ذرات تولید شده بهروش الکترواکسیداسیون استفاده شده و اثر دمای الکترولیت بر ماهیت ساختار نانوذرات بررسی میشود.
کارهای تجربی
در این تحقیق برای ساخت نانوذرات مغناطیسی محتوی آهن روش الکترواکسیداسیون بکار گرفته شد 8]و.[9 برای این منظور دو الکترود از نوع جنس فلز آهن با خلوص بالای %99/5 و الکترولیت محتوی نمک سولفات سدیم با غلظت 0/25 مولار تهیه شد. از بتاسایکلودکسترین بهعنوان پایدارساز موجود در محلول الکترولیت برای کنترل اندازهی ذرات استفاده شد. بهمنظور تمیز کردن سطوح الکترودها و برداشتن آلودگیها و لایههای اکسیدی موجود بر سطح آنها که بهطور ناخواسته ایجاد شدهاند، سطوح الکترودها ابتدا بهروش مکانیکی و سپس با اولتراسونیک سونش و با اتانول شستشو داده شدند و پس از خشک شدن در سلول آزمایش قرار گرفتند. بهمنظور بررسی اثر دمای رشد بر کیفیت ساختار محصولات چندین نمونه در دماهای 30 C، 40 C، 50 C و 60 C تحت اعمال ولتاژ 5 ولت رشد داده شدند. یک نمونه نیز در سلولی بدون مادهی آلی بهعنوان نمونهی شاهد رشد داده شد. پس از نیم ساعت واکنشها متوقف و رسوب نانوذرات تشکیل شده با استفاده از یک آهنربای دائمی از محلول الکترولیت جدا گردید و رسوب حاصل چندین بار با آب مقطر یونزدایی شده شستشو داده شد. شناسایی ساختار محصولات تولید شده بهوسیله-ی دستگاه پراش پرتو ایکس XRD، مدلPhilips ;ʼ3HUW 352 انجام شد و تصویربرداری از نمونهها با میکروسکوپ الکترونی روبشی، SEM مدل Carl zeiss ultra plus صورت پذیرفت.
بحث و نتایج
بررسی نوع ساختار و ماهیت بلوری نانوذرات تولید شده از دستگاه XRD استفاده شد. الگوی XRD یک نمونهی نوعی تهیه شده بهروش الکترواکسیداسیون که با استفاده از نرمافزار فولپروف برازش گردیده است، بههمراه اندیسهای میلر مطابق با قلههای موجود در شکل 1 - الف - مشاهده میشود. الگوهای XRD همهی نمونههای رشد یافته در دماهای مختلف الکترولیت نیز بر روی یک نمودار در شکل 1 - ب - دیده میشود. طبق نتایج حاصل از این بررسی نانوذرات دارای ساختار اسپینل مکعبی Fe3O4، با گروه فضایی میباشند. در الگوی مربوط به نمونهی ساخته شده در سلول محتوی -CD در دمای 60oC چند قلهی اضافه مشاهده میشود که با علامت * نشان داده شدهاند. به دلیل حساسیت و اکسایش گلوکز موجود در ساختار -CD با اعمال پتانسیل، گروه-های کربوکسیلیک در الکترولیت تولید شده و بهعنوان کمپلکس-کنندهی کاتیونی اقدام به گیراندازی یونهای Fe3+ در محلول می-نمایند. این پدیده موجب بروز اختلال در مکانیسم مطلوب
واکنشهای الکترواکسیداسیون و تولید محصولاتی جانبی بهعنوان ناخالصی میگردند. همانطور که از الگوهای XRD مشاهده می-شود با کاهش دما تا 40oC این فاز ثانویه در نمونهها حذف می-شود و نمونه خالصتری تولید میگردد. اما با کاهش بیشتر دمای الکترولیت به 30oC ساختار بلوری نمونه تا حدودی دستخوش تغییر گردیده و از تعداد قلههای اکسید آهن کاسته میشود.
بهمنظور مطالعهی اندازه، شکل و ریخت نانوذرات رشد داده شده از دستگاه SEM استفاده گردید. در شکل 2 تصاویر SEM نانوذرات ساخته شده در شرایط مختلف آزمایشگاهی در دماهای 30oC، 40oC، 50oC و 60oC ارائه شده است. با توجه به تصاویر ارائه شده در شکل 2 دیده میشود که تغییر پارامترهای رشد بر اندازه و ریخت نمونهها اثراتی درخور توجه دارد. بررسی نمونه-های ساخته شده در دماهای متفاوت نشان میدهد تغییرات دمای الکترولیت بر اندازهی میانگین و پراکندگی ذرات اثرگذار است.
اندازهی میانگین ذرات رشد یافته در دمای 30oC در حدود 20 نانومتر برآورد گردیده است. درحالیکه با افزایش دما به 50oC این مقدار به حدود 50 نانومتر افزایش نشان میدهد. علاوهبراین تصاویر نشان میدهند که در نمونهی ساخته شده در دمای 60oC ساختارهای درشت در نمونه شکل میگیرند.
شکل:1 - الف - الگوی برازش شدهی XRD یک نمونهی نوعی، - ب - 50oC الگوهای XRD نمونههای ساخته شده در دماهای گوناگون.
دمای الکترولیت یکی از عوامل تأثیرگذار بر ویژگیهای نانوذرات است. زیرا با تغییر دمای محلول الکترولیت جنبوجوش و ضریب پخش یونها در محلول تحت تأثیر قرار گرفته و با تغییر سرعت انتقال و جابهجایی جرم و ماده در الکترولیت، سینتیک و پیشرفت واکنشهای الکترودی، رسانندگی محلول الکترولیت و نیز بازده فرآیندهای الکترواکسیداسیون دستخوش تغییر میگردد. پرواضح است که با افزایش دما، تحرک یونها و ذرات در محلول افزایش یافته و این عامل موجب افزایش تعداد برخورد بین آنها میگردد. در نتیجه در این شرایط احتمال کلوخهای شدن ذرات بیشتر میشود. البته باید توجه داشت که افزایش دما منجر به افزایش جنبوجوش مولکولهای پایدارساز نیز میگردد و انتظار میرود با وقوع این پدیده احتمال برخورد آنها با سطح ذرات افزایش یافته و ذرات بهگونهایی مطلوبتر توسط مولکولهای پایدارساز پوشش داده شوند.
شکل :2 تصاویر نوعی SEM نانوذرات ساخته شده تحت دماهای گوناگون الکترولیت در حضور بتاسایکلودکسترین.
