1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физика и химия стекла
  4. T. 49, № 3, 2023

Физика и химия стекла, 2023, T. 49, № 3, стр. 276-286

Синтез и исследование новых стеклообразных материалов с двумя магнитными подсистемами (Fe3O4 и MnxOy)

О. А. Пшенко 1, Т. В. Антропова 1, *, Л. Н. Куриленко 1, И. Г. Полякова 1, И. Н. Анфимова 1

1 Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН
199034 Санкт-Петербург, наб. Макарова, д. 2, Россия

* E-mail: antr2@yandex.ru

Поступила в редакцию 30.12.2022
После доработки 01.02.2023
Принята к публикации 08.02.2023

Аннотация

Синтезированы новые стеклообразные композиционные материалы (КМ) с двумя магнитными подсистемами путем пропитки магнетитсодержащих матриц из железосодержащих нанопористых стекол в водных растворах MnCl2 и H2C2O4 и последующего формирования оксидов марганца MnxOy (x = 1, 2, 3; y = 1, 2, 3, 4) внутри порового пространства матриц в результате термолиза продукта реакции допантов (MnC2O4). Исследованы химический (элементный) и фазовый составы, валентно-координационное состояние железа и марганца, а также характеристики магнитного состояния синтезированных КМ в сравнении с характеристиками нанопористых матриц.

Ключевые слова: пористое стекло, магнетит, оксиды марганца, композиты, бимагнитные материалы, магнитные свойства, рентгенофазовый анализ, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Список литературы

  1. López-Ortega A., Estrader M., Salazar-Alvarez G., Roca A.G., Nogués J. Applications of exchange coupled bi-magnetic hard/soft and soft/hard magnetic core/shell nanoparticles // Physics Reports. 2015. V. 553. P. 1–32.

  2. Yang M.K., Park J.-W., Ko T. K., Lee J.-K. Bipolar resistive switching behavior in Ti/MnO2/Pt structure for nonvolatile memory devices // Applied Physics Letters. 2009. V. 95. P. 042105.

  3. Prasad B., Parkin S., Prodromakis T., Eom C.-B., Sort J., MacManus-Driscoll J.L. Material challenges for nonvolatile memory // APL Materials. 2022. V. 10. № 9. P. 090401.

  4. Akerman J. Applied physics: toward a universal memory // Science. 2005. V. 308. № 5721. P. 508–510.

  5. Lee K.S., Anisur R.M., Kim K.W., Kim W.S., Park T.J., Kang E.J., Lee I.S. Seed size-dependent formation of Fe3O4/MnO hybrid nanocrystals: selective, magnetically recyclable catalyst systems // Chem. Mater. 2012. V. 24. № 4. P. 682–687.

  6. Zhang L., Lian J., Wu L., Duan Z., Jiang J., Zhao L. Synthesis of a thin-layer MnO2 nanosheet-coated Fe3O4 nanocomposite as a magnetically separable photocatalyst // Langmuir. 2014. V. 30. № 23. P. 7006–7016.

  7. Casavola M., Falqui A., García M. A., García-Hernández M., Giannini C., Cingolani R., Cozzoli P. D. Exchange-coupled bimagnetic cobalt/iron oxide branched nanocrystal heterostructures // Nano Letters. 2009. V. 9. № 1. P. 366–376.

  8. Okada T., González-Alfaro Y., Espinosa A., Watanabe N., Haeiwa T., Sonehara M., Mishima S., Sato T., Muñoz-Noval A., Aranda P., Garcia-Hernández M., Ruiz-Hitzky E. Magnetic and electronic properties of bimagnetic materials comprising cobalt particles within hollow silica decorated with magnetite nanoparticles // J. Applied Physics. 2013. V. 114. P. 124304.

  9. Anderson N.R., Camley R.E. Temperature-dependent magnetization in bimagnetic nanoparticles with antiferromagnetic interfacial exchange // Phys. Rev. B. 2016. V. 94. P. 134432.

  10. Zeng H., Li J., Wang Z.L., Liu J.P., Sun S. Bimagnetic core/shell FePt/Fe3O4 nanoparticles // Nano Letters. 2014. V. 4. № 1. P. 187–190.

  11. Juhin A., López-Ortega A., Sikora M., Carvallo C., Estrader M., Estradé S., Peiró F., Baró M.D., Sainctavit P., Glatzel P., Nogués J. Direct evidence for an interdiffused intermediate layer in bi-magnetic core–shell nanoparticles // Nanoscale. 2014. V. 6. № 20. P. 11911–11920.

  12. Kreisberg V.A., Antropova T V. Changing the relation between micro- and mesoporosity in porous glasses: The effect of different factors // Microporous and Mesoporous Materials. 2014. V. 190. P. 128–138.

  13. Антропова Т.В. Неорганические функциональные стеклообразующие материалы на основе ликвирующих щелочноборосиликатных систем // В кн. “ИХС РАН-80 лет. Современные проблемы неорганической химии” / Под об. ред. ак. В.Я. Шевченко // СПб.: Арт.-Экспресс, 2016. С. 117–137.

  14. Патент RU 2594183 “Способ получения композитного мультиферроика на основе ферромагнитного пористого стекла” / Антропова Т.В., Пшенко О.А., Анфимова И.Н., Дроздова И.А.; заявитель и патентообладатель Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова Российской академии наук; Заявка № 2015113421; заявл. 10.04.2015; опубл. 10.08.2016. Бюл. № 22

  15. Пшенко О.А., Арсентьев М.Ю., Куриленко Л.Н., Антропова Т.В. Новые композиционные материалы на основе нанопористых стекол, содержащие оксиды марганца // Физика и химия стекла. 2021. Т. 47. № 5. С. 525–532. [Pshenko O.A., Arsentiev M.Yu., Kurylenko L.N., Antropova T.V. New Composite Materials Based on Nanoporous Glasses Containing Manganese Oxides // Glass Physics and Chemistry. 2021. V. 47. № 5. P. 446–450].

  16. Cizman A., Bednarski W., Antropova T.V., Pshenko O., Rysiakiewicz-Pasek E., Waplak S., Poprawski R. Structural, dielectric, thermal and electron magnetic resonance studies of magnetic porous glasses filled with ferroelectrics // Composites: Part B. 2014. № 64. P. 16–23.

  17. Rysiakiewicz-Pasek E., Antropova T., Polyakova I., Pshenko O., Cizman A. New Insight into Phase Transitions of Porous Glass-Based Ferroelectric Nanocomposites // Materials. 2020. V. 13. № 17. P. 3698/1–3698/10.

  18. Вахрушев С.Б., Голосовский И.В., Королева Е.Ю., Набережнов А.А., Окунева Н.М., Смирнов О.П., Фокин А.В., Towar M., Glazman M. Структура и диэлектрический отклик нанокомпозитных твердых растворов // Физика твердого тела. 2008. Т. 50. № 8. С. 1489–1495.

  19. Antropova T., Girsova M., Anfimova I., Drozdova I., Polyakova I., Vedishcheva N. Structure and Spectral Properties of the Photochromic Quartz-Like Glasses Activated By Silver Halides // J. Non-Cryst. Solids. 2014. V. 401. P. 139–141.

  20. Lebedev D., Novomlinsky M., Kochemirovsky V., Pyzhkov I., Anfimova I., Panov M., Antropova T. Glass/Au Composite Membrans with Gold Nanoparticles Synthesized inside Pores for Selective Ion Transport // Materials. 2020. V. 13. № 7. P. 1767/1–1767/16.

  21. Балаев Д.А., Семенов С.В., Дубровский А.А., Красиков А.А., Попков С.И., Якушкин С.С., Кириллов В.Л., Мартьянов О.Н. Синтез и магнитные свойства наночастиц Fe3O4/CoFe2O4 со структурой ядро/оболочка // Физика твердого тела. 2020. Т. 62. № 2. С. 235–240.

  22. Хабибуллин В.Р., Степанов Г.В. Влияние назкочастотного магнитного поля на тепловыделение магнитных наночастиц различной формы // Журн. физической химии. Фотохимия и магнетохимия. 2020. Т. 94. № 2. С. 313–318.

  23. Пшенко О.А., Дроздова И.А., Полякова И.Г., Rogacki K., Ciźman A., Poprawski R., Rysiakiewicz-Pasek E., Антропова Т.В. Ферромагнитные железосодержащие пористые стекла // Физика и химия стекла. 2014. Т. 40. № 2. С. 215–222. [Pshenko O.A., Drozdova I.A., Polyakova I.G., Rogacki K., Cizman A., Poprawski R., Rysiakiewicz-Pasek E., Antropova T.V. Ferromagnetic Iron-Containing Porous Glasses // Glass Physics and Chemistry. 2014. V. 40. № 2. P. 167–172].

  24. Патент RU 2540754 “Способ получения высококремнеземного пористого стекла с магнитными свойствами” / Антропова Т.В., Анфимова И.Н., Дроздова И.Н., Костырева Т.Г., Полякова И.Г., Пшенко О.А., Столяр С.В.; заявитель и патентообладатель Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова Российской академии наук; Заявка № 2013154214; заявл. 05.12.2013; опубл. 10.02.2015, Бюл. № 4.

  25. Okudera H., Kihara K., Matsumoto T. Temperature dependence of structure parameters in natural magnetite: single crystal X-ray studies from 126 to 773 K // Acta Crystallographica. Section B. Structural Science. 1996. V. 52. № 3. P. 450–457.

  26. Moore T.E., Ellis M., Selwood P.W. Solid oxides and hydroxides of manganese // J. Am. Chem. Soc. 1950. V. 72. № 2. P. 856–866.

  27. Bricker O. Some stability relations in the system Mn–O2–H2O at 25° and one atmosphere total pressure // American Mineralogist. 1965. V. 50. P. 1296–1254.

  28. Кондрашев Ю.Д., Заславский А.И. Структура модификаций двуокиси марганца // Известия академии наук СССР. 1951. Т. 15. С. 179–184.

  29. Barrett C.A., Evans E.B. Solid solubility and lattice parameter of NiO–MnO // J. American Ceramic Society. 1964. V. 47. № 10. P. 533.

  30. Golosovsky I.V., Mirebeau I., Fauth F., Kurdyukov D.A., Kumzerov Yu.A. Low-temperature phase transition in nanostructured MnO embedded within the channels of MCM-41-type matrices // Physical Rev. B. 2006. V. 74. № 5. Article ID 054433 (1–5).

  31. Golosovsky I.V., Arcon D., Jaglicic Z., Cevc P., Sakhnenko V.P., Kurdyukov D.A., Kumzerov Y.A. ESR studies of MnO embedded into silica nanoporous matrices with different topology // Physical Rev. B. 2005. V. 72. № 14. Article ID 144410 (1–6).

  32. Golosovsky I.V., Mirebeau I., Elkaim E., Kurdyukov D.A., Kumzerov Y.A. Structure of MnO nanoparticles embedded into channel-type matrices // Eur. Phys. J. B. 2005. V. 47. P. 55–62.

  33. Pradhan A.C., Nanda B., Parida K.M., Rao G.R. Fabrication of the Mesoporous Fe@MnO2NPs–MCM-41 Nanocomposite: An Efficient Photocatalyst for Rapid Degradation of Phenolic Compounds // The J. Physical Chemistry C. 2015. V. 119. № 25. P. 14145–14159.

  34. Cizman A., Idczak K., Krupinski M., Girsova M., Zarzycki A., Rysiakiewicz-Pasek E., Zielony E., Staniorowski P., Wrzesinska P., Perlikowski I., Jach E., Ermakova L., Antropova T. Comprehensive studies of activity of Ni in inorganic sodium borosilicate glasses doped with nickel oxide // Applied Surface Science. 2021. V. 558. P. 149891.

  35. Wagner C.D. The NIST X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS) database – Washington, USA.: U.S. Government Printing Office, 1991. P. 18.

  36. Yamashita T., Hayes P. Analysis of XPS spectra of Fe2+ and Fe3+ ions in oxide materials // Applied Surface Science. 2008. V. 254. № 8. P. 2441–2449.

  37. Lesiak B., Rangam N., Jiricek P., Gordeev I., Tóth J., Kövér L., Mohai M., Borowicz P. Surface Study of Fe3O4 Nanoparticles Functionalized With Biocompatible Adsorbed Molecules // Frontiers in Chemistry. 2019. V. 7. Article 642.

  38. Fujii T., de Groot F.M.F., Sawatzky G.A., Voogt F.C., Hibma T., Okada K. In situ XPS analysis of various iron oxide films grown by NO2-assisted molecular-beam epitaxy // Physical Review B. 1999. V. 59. № 4. P. 3195–3202.

  39. Lei K., Han X., Hu Y., Liu X., Cong L., Cheng F., Chen J. Chemical etching of manganese oxides for electrocatalytic oxygen reduction reaction // Chem. Commun. 2015. V. 51. P. 11599–11602.

  40. Rosso J.J., Hochella M.F.Jr. Natural iron and manganese oxide samples by XPS // Surface Science Spectra. 1996. V. 4. № 3. P. 253–265.

  41. Ilton E.S., Post J.E., Heaney P.J., Ling F.T., Kerisit S.N. XPS determination of Mn oxidation states in Mn (hydr)oxides // Applied Surface Science. 2016. V. 366. P. 475–485.

  42. Пшенко О.А., Антропова Т.В., Анфимова И.Н., Куриленко Л.Н. Синтез и функциональные свойства нанокомпозитов на основе пористых стекол, содержащих оксиды марганца // Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием “IV Байкальский материаловедческий форум” (1–7 июля 2022 г., Улан-Удэ – оз. Байкал): электронное издание. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2022. С. 409–410.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физика и химия стекла

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал