بخشی از مقاله
چکیده
دراین مقاله، نانوذرات فریت اسپینلی روی آلاییده با کروم با استفاده از گلایسین بهعنوان سوخت، بهروش احتراق مایکروویوی تهیه شده است. برای تعیین فاز و بررسی خلوص نمونهها، الگوی پراش پرتو ایکس آنها مورد بررسی قرارگرفته است. برای بررسی ریخت و تعیین اندازه متوسط ذرات از تصاویر FE-SEM نمونهها استفاده شد و اندازه ذرات زیر 20 نانومتر بهدست آمد. مقدار میدان وادارندگی از نتایج 50 VSM اورستد بهدست آمده و کاهش مغناطش اشباع با افزایش میزان کروم در نمونهها مشاهده شده است.
مقدمه
در بین نانومواد، نانوذرات فریتها دسته مهمی از مواد هستند که خواص الکتریکی، مغناطیسی و کاتالیستی گوناگونی دارند. فریت روی با ساختار اسپینلی دارای فرمول شیمیایی - ZnFe2O4 - میباشد. ساختار اسپینلی شامل مکانهای چهاروجهی - A - و هشتوجهی - B - میباشد؛ بهطوریکه مکانهای هشتوجهی از مکانهای چهاروجهی بزرگترند. همانطور که میدانیم یونهای دو ظرفیتی بزرگتر از یونهای سه ظرفیتیاند، پس معقول است که یونهای دو ظرفیتی در مکانهای هشتوجهی و یونهای سه ظرفیتی در مکانهای چهاروجهی قرار گیرند. اما یک استثناء وجود دارد، یونهای دو ظرفیتی روی تمایل بهاشغال مکانهای چهاروجهی دارند [1] زیرا پیکربندیهای الکترونی برای اتصال چهاروجهی بهیونهای اکسیژن مناسب است .[2]
فریت روی مادهای است نیمرسانا، با مقاومت الکتریکی بالا که جریان الکتریکی مستقیم را از خود عبور نمیدهد .[3] ماده ZnFe2O4 برای طیف گستردهای از برنامههای کاربردی مورد استفاده قرار میگیرد؛ که از جمله میتوان فوتوکاتالیستها6]،[5، تصویربرداری تشدیدی[4]، مواد مغناطیسی، کاتالیستها و رنگ دانهها را نام برد . در کاربردهایی که بهآن اشاره شد، اندازه نانوذرات یکی از پارامترهای مهم است. اخیراً نانوذرات فریت روی بهدلیل وابستگی خواص فیزیکی و شیمیایی بهاندازه این ذرات در مقایسه با نمونه تودهای خود، بسیار مورد توجه محققان قرار گرفتهاند.
روشهای مختلفی مانند سل- ژل، هیدروترمال، همرسوبی، سرامیکی، شیمیایی تر، رسوبدهی الکتروشیمیایی و روشهای مکانیکی برای ساخت نانوذرات فریت روی وجود دارد. در بیشتر روشهایی که اشاره شد، نیازمند مقدار زیادی مواد شیمیایی هستیم؛ همچنین زمان واکنش بسیار طولانی و بازده واکنش پایین میباشد. علاوه بر این، واکنشها مقدار زیادی مواد سمی تولید میکنند که موجب آلودگی محیط زیست میشود. در این مقاله، نانوذرات ZnFe2O4 بهروش احتراقی بهکمک امواج مایکروویو ساخته شدهاند و خواص مغناطیسی آنها مورد بررسی قرار گرفته است.
مواد و وسایل
فرآیند احتراقی بهکمک امواج مایکروویو در مقایسه با روش- های دیگر تهیه نانوذرات فریت روی، روشی سریع و ساده می- باشد. این روش، مبتنی بر مخلوط نمودن نیترات فلزات - عامل اکسید کننده - و سوخت آلی - عامل کاهنده - است. استفاده از مایکروویو در این روش باعث تعامل بین انرژی گرمایی و واکنش دهندهها شده که منجر بهتولید حرارت یکنواخت [5] و همچنین باعث گرم شدن سریع میشود .[3] این پدیده باعث حذف مرحله تکلیس، زمان کوتاه برای آماده سازی محصول نهائی [5]، صرف هزینه و انرژی کم، بازده بالا و در نهایت بهدلیل ایجاد دمای بالا در این روش که موجب خروج مواد فرار آلوده کننده میشود، در نتیجه، محصول با خلوص بالا تولید میشود [4]؛ بهطوریکه در این روش، زمان واکنش 60 درصد نسبت بهواکنشهای مرسوم کاهش مییابد .[6]
روش ساخت
در بررسیهای انجام شده روی آلایش کروم در فریتها بهاین نتیجه رسیدند که یونهای کروم تمایل قوی برای قرار گرفتن در مکانهای هشتوجهی شبکه اسپینلی را دارند، که منجر میشود این یونها جایگزین یونهای Fe+3 در این مکانها شوند. مقدار گرم مورد نیاز از مواد واکنشدهنده با مقدار بهینه سوخت، - اعداد اکسایش و کاهش باید با هم برابر باشند - [7]، همراه با کمی آب مقطر مخلوط کرده و آن را هم میزنیم تا مخلوطی یکدست حاصل شود. سپس مخلوط درون مایکروویو قرار میگیرد. بعد از انجام احتراق و کامل شدن واکنش، فوم اسفنج شکلی حاصل می- شود. این فوم با هاون بهآرامی کوبیده میشود تا پودر گردد. پودر حاصل سه بار با آب مقطر و سه بار با اتانول شستشو میشود و به- مدت 1 ساعت در دمای 70 درجه سانتی گراد خشک میگردد.
بررسی نتایج ساختاری
مشخصهیابی نمونه از جمله ساختار، ثابت شبکه و اندازه بلورکها توسط دستگاه پودری پراش اشعه ایکس - XRD - ، بهطول موج 1/54 آنگستروم صورت گرفت. الگوی پراش نمونه با کارتJCPPS بهشماره 00-001-1109 مطابقت داشت که هیچ قله اضافی مبنی بر حضور ناخالصی مشاهده نشده است. الگوی پراش اشعه ایکس در شکل 1 نشان داده شده است. حضور صفحات - 220 - ، - 311 - ، - 222 - ، - 400 - ، - 422 - ، - 511 - و - 440 - در الگوی پراش این نانوذرات، بر تشکیل ساختار مکعبی اسپینلی با گروه فضایی Fd3m دلالت دارد.
متوسط اندازه بلورکها توسط معادله 2 که معادله دبای- شرر نامیده میشود، محاسبه شد، که برای ZnFe2O4 و ZnFe1.5Cr0.5O4 بهترتیب برابر6/5 و 11 نانومتر بهدست آمد. در این رابطه L متوسط اندازه بلورکها، طول موج اشعه ایکس، کل پهنای قله در نصف ارتفاع، K ثابت شرر و زاویه پراش براگ است. ثابت شرر 0/9 در نظر گرفته میشود. ثابت شبکه از معادله 3 بهدست آمده است. در این رابطه a ثابت شبکه، d فاصله صفحات براگ و - hkl - اندیسهای میلر صفحات براگ هستند. مقدار ثابت شبکه برای ZnFe2O4 و ZnFe1.5Cr0.5O4 به ترتیب 8/374 و 8/326 آنگستروم بهدست آمد.
مشاهده میشود که با افزایش میزان کروم در نمونه فریت روی ثابت شبکه کاهش مییابد، که این بهدلیل جانشینی کاتیونهای کروم با شعاع یونی کوچکتر - 0/615 - بهجای کاتیونهای آهن با شعاع یونی بزرگتر - [8] - 0/645 است که باعث انقباض شبکه و در نتیجه کاهش ثابت شبکه میشود .[2] همچنین کاهش شدت قلهها در الگوی پراش اشعه ایکس دیده میشود. این تغییرات بهافزایش غلظت کروم در ترکیب فریت روی نسبت داده میشود که تبلور فریت را تحت تأثیر قرار میدهد.[2]
تصاویر FE-SEM
در شکل 2 و 3 تصاویر FE-SEM از نمونهها نشان داده شده است. تصاویر FE-SEM تهیه شده از پودر نمونههای ZnFe2O4 و ZnFe1.5Cr0.5O4 نشان میدهند که ذرات ریز پودر فریت بههم چسبیده و توده تشکیل دادهاند. تجمع ذرهها بهدلیل ریز بودن ذرات در حد نانومتر و مغناطیسی بودن آنها است که سبب بالا رفتن انرژی سطحی ذرات میباشد. ذرات پودر، شکل کروی دارند که بهشدت تمایل بهتشکیل توده دارند. با استفاده از نرم افزار مژرمنت اندازه ذرات برای فریت روی و فریت روی آلاییده با کروم زیر 20 نانومتر بهدست آمده است. مشخص شده است که با افزایش مقدار کروم، اندازه ذرات روندی کاهشی دارند. زیرا افزایش کروم باعث کاهش فاصله یونی بین کاتیونهای B-B شده که منجر بهمتراکم شدن نانوذرات میشود.[8]
بررسی نتایج VSM
بهمنظور ارزیابی خواص مغناطیسی، حلقه پسماند نمونهها با استفاده از دستگاه VSM دانشگاه شهید چمران اهواز مورد بررسی قرار گرفته شده است. منحنی پسماند نمونههای ZnFe2O4 و ZnFe1.5Cr0/5O4 در شکل 4 نشان داده شدهاند.
