بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش تاثیر pH واکنش بر فرایند ساخت نانوذرات مغناطیسی مگنتیت به روش همرسوبی مورد مطالعه قرار گرفت. همچنین تاثیر pH واکنش بر خواص مغناطیسی ذرات و اندازه نانو ذرات بررسی شد. نتایج نشان داد افزایش pH به دستیابی به نمونههای با اندازهی ذره کوچکتر ولی اندازهی بلورکهای یکسان منجر میشود. دادههای بهدست آمده در یک مدل ساده با توجه به فرایند هستهزایی و رشد توجیه شد. نتایج آنالیز مغناطیسی نیز از بروز یک رفتار ابرپارامغناطیس در نمونه ها حکایت دارد. همچنین مغناطش اشباع نمونهها نیز با افزایش pH و کوچک شدن اندازه دانهها کاهش یافته است.
-1 مقدمه
خواص مغناطیسی خوبی مانند مغناطش اشباع بالا و میدان وادارندگی نزدیک به صفر در دمای محیط از خود نشان دادهاند. ساختار بلوری، شکل و اندازهی نانو ذرات بر خواص مغناطیسی آنها تاثیر دارد که این ویژگیها به روش تولید نانوذرات اکسید آهن وابسته است. روشهای گوناگونی برای ساخت نانوذرات مغناطیسی گزارش شده است که مهمترین آنها همرسوبی[7]، هیدروترمال[8]، سل-ژل[9] و الکتروشیمیایی است. همرسوبی سادهترین و پرکاربردترین روش شیمیایی برای تهیهی نانو ذرات مغناطیسی است. برتری این روش ارزان و وقت گیر نبودن آن است.
همچنین میتوان در حجم کم واکنش مقدار زیادی از نانو ذرات ساخت .[7] در این روش Fe3O4 و یا -Fe2O3 از تراکم مخلوط استوکیومتری فروس و فریک آهن در محیط آبی به دست میآیند. دمای واکنش، غلظت محلول نمکهای آهن و غلظت عامل رسوب دهنده که یک باز قوی است - pH محلول - ، سرعت بههمزدن، زمان واکنش و قدرت یونی محلول میتواند بر روی شکل، ساختار، اندازه و ویژگیهای فیزیکی و مغناطیسی نانو ذرات تاثیر بگذارد.
[10] عوامل مذکور، هریک بهطور جداگانه در بسیاری از مقالات بررسی شده است. برخلاف سادگی مراحل ساخت نمونه در این روش به دلیل پیچیدگی فرایندهای شیمیایی و فیزیکی که به تولید محصول منجر میشود گزارشهای ارائه شده بیشتر به ارائهی نتایج تغییردر پارامترهای ساخت متمرکز بوده و گزارش دقیقی از فرایند شکلگیری فاز دیده نمیشود. در این پژوهش ضمن بررسی اثر pH محلول بر روی اندازهی نانو ذرات و خواص مغناطیسی آنها در یک مدل ساده، فرایند تشکیل فاز نیز مورد توجه قرار گرفته است.
-2 بخش تجربی
2؛-1 تهیهی نانو ذرات Fe3O4 به روش همرسوبی: 1/54 گرم FeCl2 و 3/25 گرم FeCl3 در 200 میلی لیتر آب حل شد و 15 گرم پلی اتیلن گلیکول 4000 را به عنوان سورفکتانت افزوده و به مدت 30 دقیقه در دمای45 c بههم زده شد. سپس 15 میلی لیتر آمونیاک بهآرامی افزوده شده و محلول حاصل که pH آن حدود 9 بود بهمدت30 دقیقه در دمای45 c بههم زده شد. رسوبهای Fe3O4 با آهنربا جدا، چند مرتبه با آب مقطر شسته و در دمای محیط خشک شد. آزمایش با pH=11,13 تکرار شد.
2؛-2 تجهیزات شناسایی
ریختشناسی نانو ذرات مغناطیسی Fe3O4 با استفاده از تصاویر - VEGA3 TESCAN - SEM بررسی شد. مطالعهی ساختاری نانوذرات تولید شده به منظور شناسایی فازها و تعیین اندازهی بلورکها توسط دستگاه پراش پرتوی ایکس و با استفاده از CuK تابش =1/5406 œ A بررسی شد. برای تحلیل دادههای XRD از نرمافزار اکسپرت4 استفاده شد. همچنین خواص مغناطیسی نمونهها با استفاده از آنالیز VSM شرکت مغناطیس کویر کاشان مورد مطالعه قرار گرفت.
-3بحث و نتایج
تصاویر SEM نمونهها در شکل 1 نشان داده شده است. با توجه به تصاویر، شکل دانهها در همهی نمونهها نسبتا متقارن و متوسط اندازهی قطر ذرات در13و11، pH=9 به ترتیب حدود60 10، 70 10 و 100 10 نانومتر تخمین زده شد. در واقع با افزایش pH واکنش، اندازهی ذرات کوچکتر میشود. در pH کمتر ذرات بههم چسبیده و الگومره میشوند. منحنی XRD نمونهها - شکل - 2 نشان میدهد هر سه نمونه تک-فازبوده و ترکیب نهایی Fe3O4 شکل گرفته است. ساختار بلوری نمونهها مکعبی اسپینلی و با گروه فضایی Fd-3m است. پارامتر شبکهی بلوری برای نمونه با pH برابر با 9 ،11 و 13 بهترتیب 8/317 ، 8/324 و 8/324 بهدست آمد.
همچنین شدت نسبی ارتفاع قلهها در سه نمونه اندکی با یکدیگر متفاوت است. این تفاوت بیانگر ناهمسانی نظم بلوری نمونهها است. چون برای نمونههای با ساختار اسپینلی، شکلگیری اسپینل وارون و مستقیم امکانپذیر است این تفاوت دور از انتظار نیست. اندازهی بلورکهای نمونهها با استفاده از مدل شرر برای سه نمونه تقریبا همسان و از مرتبهی 11 نانومتر محاسبه گردید. - نتایج در جدول شماره - 1 فرمول دیبای -شرر، اندازهی دانههای بلوری پرتو درحالیکه اندازهی ذرات با افزایش pH کاهش یافته است. با در نصف ارتفاع را میدهد. توجه به معادلهی واکنش شیمیایی در فرایند همرسوبی، انتقال الکترون بین یونهای Fe+2 و Fe+3 - معادله - 1 در مرحلهی هسته- زایی باعث تشکیل بلورکهای Fe3O4 میشود و در مرحلهی رشد با قرارگیری یونهای Fe+2 و Fe+3 بر روی هستههای ایجاد شده اندازهی بلورکها افزایش مییابد.
در یک مدل دقیقتر لازم است احتمال بههم چسبیدن بلورکهای ایجاد شده و تشکیل بسبلورها با اندازهی بزرگتر نیز در نظر گرفته شود. در واقع در این مدل رشد ذرات به دو فرآیند جداگانه نسبت داده میشود. شکل - 3 - این دو فرآیند را نشان میدهد. با این مدل میتوان اینگونه توجیه کرد که با افزایش pH محلول، قرارگیری یونهای OH بر روی سطح بلورکهای تشکیل شده و ایجاد نیروی دافعهی بین آنها از بههم چسبیدن تعداد بیشتری از بلورکها جلوگیری نموده، فرآیند دوم تضعیف واندازهی بسبلورها کوچکتر میشود. منحنی حلقهی پسماند نمونهها در دمای اتاق و در میدانهای بین -9000 تا 9000 اورستد - شکل - 4 نشان میدهد که رفتار سه نمونه از نظر مغناطیسی کاملا نرم است. مقادیر مغناطش اشباع، مغناطش باقیمانده و وادارندگی سه نمونه در جدول 1 گزارش شده است. کم بودن غیر معمول وادارندگی، مشخصهای از سازههای ابر پارامغناطیس است.
