Гетерофазный синтез феррита кобальта

Цели. Разработка новых методов синтеза феррита кобальта (CoFe₂O₄), являющегося предшественником для синтеза функциональных материалов на его основе, а также исследование физико-химических свойств полученных фаз.

Методы. Гидратированный оксид железа и феррит кобальта получали гетерофазным методом. Синтезированные фазы и продукты их термолиза изучали методами дифференциально-термического анализа и дифференциальной термогравиметрии (ДТА–ДТГ), рентгенофазового анализа (РФА) и гранулометрии.

Результаты. В статье изложены результаты двух методов синтеза феррита кобальта (CoFe2O4) и исследования полученных фаз. В обоих случаях в качестве предшественника выступал гидратированный оксид железа(III) с содержанием Fe₂O₃ – 84.4 мас. %, полученный гетерофазным взаимодействием хлорида железа(III) с концентрированным раствором аммиака (6.0–9.5 моль/л). Первый способ заключался во взаимодействии гидратированного оксида железа(III) с оксидом кобальта(II, III), второй – во взаимодействии гидратированного оксида железа(III) с водным раствором сульфата кобальта(II) с концентрацией С_Со = 0.147 моль/л (Т : Ж = 1 : 43). Получившиеся промежуточные продукты подвергали термической обработке при 750 °C (синтез 1) и 900 °C (синтез 2) в течение 10–30 ч с шагом 10 ч.

Выводы. Феррит кобальта (CoFe₂O₄) получен двумя способами. С использованием комплекса методов (РФА, ДТА–ДТГ, гранулометрии) исследованы физико-химические свойства синтезированных образцов. Установлено, что гидратированный оксида железа(III) вплоть до температуры кристаллизации (445 °C), соответствующей экзотермическому эффекту на кривой ДТА, остается рентгеноаморфным. Дальнейшее нагревание его приводит к образованию α-модификации оксида железа(III) гексагональной сингонии (a = b = 5.037 ± 0.002 Å; c = 13.74 ± 0.01 Å), средний размер частиц которой равен 1.1 мкм. Согласно данным РФА, в синтезе 1 при 750 °C и продолжительности термообработки 30 ч образуется однофазный феррит кобальта (a = 8.388 ± 0.002 Å) со средним диаметром частиц 1.9 мкм. В интервале температур 720–810 °C в образце наблюдается убыль массы (около 12.5%), связанная с удалением SO₂ и SO₃. Поэтому в синтезе 2 температуру нагревания увеличивали до 900 °C. Показано, что при 900 °C и продолжительности синтеза 30 ч также образуется феррит кобальта (CoFe₂O₄) (a = 8.389 ± 0.002 Å). Результаты гранулометрического анализа указывают на зависимость диаметра образующихся частиц от способа получения феррита кобальта. Наименьший размер частиц (1.5 мкм) обнаружен у феррита кобальта, полученного гетерофазным взаимодействием гидратированного оксида железа(III) (Fe2O3 – 84.4 мас. %) с водным раствором сульфата кобальта с концентрацией С(Со₂+) = 0.147 моль/л.

1. Yan Z., Gao J., Li Y., Zhang M., Guo M. Hydrothermal synthesis and structure evolution of metal-doped magnesium ferrite from saprolite laterite. RSC Advances. 2015;5:92778–92787. https://doi.org/10.1039/C5RA17145H

2. Kefeni K.K., Mamba B.B., Msagati T.A.M. Application of spinel ferrite nanoparticles in water and wastewater treatment: A review. Sep. Purif. Technol. 2017 Nov;188:399–422. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2017.07.015

3. Rashdan S.A., Hazeem L.J. Synthesis of spinel ferrites nanoparticles and investigating their effect on the growth of microalgae Picochlorum sp. Arab J. Basic Appl. Sci. 2020 Feb;27(1):134–141. https://doi.org/10.1080/25765299.2020.1733174

4. Amiri M., Salavati-Niasari M., Akbari A. Magnetic nanocarriers: Evolution of spinel ferrites for medical applications. Adv. Colloid Interface Sci. 2019 Mar;265:29–44. https://doi.org/10.1016/j.cis.2019.01.003

5. Vedrtnam A., Kalauni K., Dubey S., Kumar A. A comprehensive study on structure, properties, synthesis and characterization of ferrites. AIMS Materials Science. 2020;7(6):800–835. https://doi.org/10.3934/matersci.2020.6.800

6. Zhou J., Shu X., Wang Y., Ma J. et al. Enhanced Microwave Absorption Properties of (1-x)CoFe2O4/xCoFe Composites at Multiple Frequency Bands. J. Magn. Magn. Mater. 2020 Jun;493:165699–165708. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165699

7. Bartunek V., Sedmidubsky D., Hube, S., Svecov, M., Ulbrich P., Jankovsky O. Synthesis and properties of nanosized stoichiometric cobalt ferrite spinel. Materials. 2018 Jul;11(7):1241–1251. https://doi.org/10.3390/ma11071241

8. Zhou Z., Zhang Y., Wang Z., Wei W., et al. Electronic structure studies of the spinel CoFe2O4 by X-ray photoelectron spectroscopy. Appl. Surf. Sci. 2008 Aug;254(21):6972–6975. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.05.067

9. Das D., Biswas R., Ghosh S. Systematic analysis of structural and magnetic properties of spinel CoB2O4 (B=Cr, Mn and Fe) compounds from their electronic structures. J. Phys.: Condens. Matter. 2016 Nov;28(44):446001–446010. https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/44/446001

10. Swatsitang E., Phokha S., Hunpratub S., Usher B., Bootchanont A., Maensiri S., et al. Characterization and magnetic properties of cobalt ferrite nanoparticles. J. Alloys Compd. 2016 Apr;664:792–797. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.12.230

11. Kazemi M., Ghobadi M., Mirzaie A. Based on: Cobalt ferrite nanoparticles (CoFe2O4 MNPs) as catalyst and support: Magnetically recoverable nano-catalysts in organic synthesis. Nanotechnol. Rev. 2017 Jan;7(1):1–50. https://doi.org/10.1515/ntrev-2017-0138

12. Srinivasan S.Y., Paknikar K.M., Bodas D., Gajbhiye V. Applications of cobalt ferrite nanoparticles in biomedical nanotechnology. Nanomedicin. 2018 Jun;13(10):1221–1238. https://doi.org/10.2217/nnm-2017-0379

13. Chagas C.A., de Souza E.F., de Carvalho M.C.N.A., Martins R.L., Schmal M. Cobalt ferrite nanoparticles for the preferential oxidation of CO. Appl. Catal. A-Gen. 2016;519C:139–145. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2016.03.024

14. Tatarchuk T., Bououdina M., Vijaya J.J., Kennedy L.J. Spinel Ferrite Nanoparticles: Synthesis, Crystal Structure, Properties, and Perspective Applications. In: International Conference on Nanotechnology and Nanomaterials. NANO 2016: Nanophysics, Nanomaterials, Interface Studies, and Applications. 2016 Aug:305–325. https://doi.org/10.1007/9783-319-56422-7_22

15. Mu J., Perimutte D.D. Thermal Decomposition of Inorganic Sulfates and Their Hydrates. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1981 Oct;20(4):640–646. https://doi.org/10.1021/i200015a010