Study of the Structure and Properties of Magnetic Nanopowders of Magnetite-Maggemite Series Solid Solutions by SAPNS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Nanopowders of the magnetite-maggemite series were synthesized by both aqueous precipitation and using sol-gel technology. A comprehensive comparative study of the structure of the synthesized powders was carried out using the methods of X-ray phase analysis (XPA), scanning electron microscopy (SEM), low-temperature nitrogen adsorption and small-angle polarized neutron scattering (SAPNS). It has been established that the synthesized iron oxide nanopowders are porous systems that, depending on the synthesis method, have a one-level or two-level (for powders obtained by aqueous synthesis) and three-level (for powders obtained by the sol-gel method) hierarchical structure organization with different characteristic scales and types of aggregation for each from structural levels, and the characteristic size for the larger level in both cases exceeds 45 nm. It was revealed that the magnetic structure of the obtained iron oxide powders, regardless of the synthesis method, consists of superparamagnetic particles with a characteristic magnetic radius RМ ≈ 4 nm and magnetic-nuclear cross-correlations RMN ≈ 3 nm for powders obtained by the sol-gel method; and with RM ≈ 5–11 nm and RMN ≈ 4–8 nm for powders obtained by aqueous synthesis, depending on the production conditions.

Full Text

Restricted Access

About the authors

O. A. Shilova

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: olgashilova@bk.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

A. S. Kovalenko

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: olgashilova@bk.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

A. M. Nikolaev

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: olgashilova@bk.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

T. V. Khamova

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: olgashilova@bk.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

I. Yu. Kruchinina

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: olgashilova@bk.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

G. P. Kopitsa

Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences; Petersburg Nuclear Physics Institute named by B.P. Konstantinov of the Kurchatov Institute

Email: olgashilova@bk.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Gatchina

References

  1. Ferreira M.I., Cova T., Paixão J.A. et al. // Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials. Magnetic Nanoparticle-Based Hybrid Materials. Woodhead Publ, 2021. P. 273. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-823688-8.00033-8
  2. Imran M., Shaik A.H., Ansari A.R. et al. // RSC Adv. 2018. V. 8. № 25. P. 13970. https://doi.org/10.1039/C7RA13467C
  3. Rashid H., Mansoor M.A., Haider B. et al. // Sep. Sci. Technol. 2020. V. 55. № 6. P. 1207. https://doi.org/10.1080/01496395.2019.1585876
  4. Aphesteguy J.C., Kurlyandskaya G.V., Celis J.P. et al. // Mater. Chem. Phys. 2015. V. 161. Р. 243. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2015.05.044
  5. Nazari M., Ghasemi N., Maddah H. et al. // J. Nanostruct. Chem. 2014. V. 4. № 2. P. 99. https://doi.org/10.1007/s40097-014-0099-9
  6. Ramos Guivar J.A., Martínez A.I., Anaya A.O. et al. // Adv. Nanopart. 2014. V. 3. № 3. P. 114. https://doi.org/10.4236/anp.2014.33016
  7. Fedorenko N.Yu., Abiev R.Sh., Kudryashova Yu.S. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 9. P. 13006. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.174
  8. Шилова О.А., Николаев А.М., Коваленко А.С. и др. // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. № 3. С. 398.
  9. Коваленко А.С., Шилова О.А., Николаев А.М. и др. // Коллоид. журнал. 2023. Т. 85. № 3. С. 319.
  10. Gopinath S., Philip J. // Mater. Chem. Phys. 2014. V. 145. № 1–2. P. 213. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2014.02.005
  11. Zienkiewicz-Strzałka M., Skibińska M., Pikus S. // Nucl. Instrum. Methods., Sect. B. 2017. V. 411. P. 72. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.03.028
  12. Nirschl H., Guo X. // Chem. Eng. Res. Des. 2018. V. 136. P. 431. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.06.012
  13. Shilova O.A., Nikolaev A.M., Kovalenko A.S. et al. // Ceram. Int. 2021. V. 47. № 20. P. 28866. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.07.047
  14. Khamova T.V., Kopitsa G.P., Nikolaev A.M. et al. // Biointer. Res. Appl. Chem. 2021. V. 11. № 4. P. 12285. https://doi.org/10.33263/BRIAC114.1228512300
  15. Danks A.E., Hall S.R., Schnepp Z. // Mater. Horiz. 2016. V. 3. № 2. P. 91. https://doi.org/10.1039/c5mh00260e
  16. Okorokov A.I., Runov V.V. // Physica B. 2001. V. 297. № 1–4. P. 239. https://doi.org/10.1016/S0921-4526(00)00843-7
  17. Fitzsimmons M.R., Schuller I.K. // J. Magn. Magn. Mater. 2014. V. 350. P. 199. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2013.09.028
  18. Muhlbauer S., Honecker D., P´erigo E.A. et al. // Rev. Mod. Phys. 2019. V. 91. № 1. P. 015004. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.91.015004
  19. Honecker D., Bersweiler M., Erokhin S. et al. // Nanoscale Adv. 2022. V. 4. № 4. P. 1026. https://doi.org/10.1039/D1NA00482D
  20. Lee S.H., Lee D.H., Jung H. et al. // Curr. Appl. Phys. 2015. V. 15. № 8. P. 915. https://doi.org/10.1016/j.cap.2015.04.003
  21. Bergenti I., Deriu A., Savini L. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2003. V. 262. № 1. P. 60. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(03)00019-2
  22. Grigoriev S.V., Maleyev S.V., Okorokov A.I. et al. // Europhys. Lett. 2003. V. 63. № 1. Р. 56. https://doi.org/10.1209/epl/i2003-00477-3
  23. Khamova T.V., Shilova O.A., Gorshkova Yu.E. et al. // Nanosystems: Phys. Chem. Math. 2022. V. 13. № 4. P. 414. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2022-13-4-414-429
  24. Рунов В.В., Бугров А.Н., Смыслов Р.Ю. и др. // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 2. С. 229.
  25. Fu Z., Xiao Y., Feoktystov A. et al. // Nanoscale. 2016. V. 8. № 43. P. 18541. https://doi.org/10.1039/c6nr06275j
  26. Zákutná D., Nižňanský D., Barnsley L.C. et al. // Phys. Rev. X. 2020. V. 10. № 3. P. 031019. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.031019
  27. Köhler T., Feoktystov A., Petracic O. et al. // Nanoscale. 2021. V. 13. № 4. P. 6965. https://doi.org/10.1039/d0nr08615k
  28. Chouhan R.S., Horvat M., Ahmed J. et al. // Cancers. 2021. V. 13. № 9. Р. 2213. https://doi.org/10.3390/cancers13092213
  29. Tran H.-V., Ngo N.M., Medhi R. et al. // Materials. 2022. V. 15. № 2. P. 503. https://doi.org/10.3390/ma15020503
  30. Kovalenko A.S., Nikolaev A.M., Khamova T.V. et al. // Glass Phys. Chem. 2021. V. 47. № 1. Р. 67. https://doi.org/10.1134/S1087659621070063
  31. Shilova O.A., Panova G.G., Nikolaev A.M. et al. // Lett. Appl. NanoBioScience. 2021. V. 10. № 2. P. 2215. https://doi.org/10.33263/LIANBS102.22152239
  32. Wang Y., Wang S., Xu M. et al. // Environ. Pollut. 2019. V. 249. P. 1011. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2019.03.119
  33. Serpoush M., Kiyasatfar M., Ojaghi J. // Mater. Today: Proc. 2022. V. 65. Part 6. P. 2915. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.06.441
  34. Turrina Ch., Klassen A., Milani D. et al. // Heliyon. 2023. V. 9. № 6. Р. e16487. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e16487
  35. Baabu P.R.S., Kumar H.K., Gumpu M.B. et al. // Materials. 2023. V. 16. № 1. P. 59. https://doi.org/10.3390/ma16010059
  36. Ibarra J., Melendres J., Almada M. et al. // Mater. Res. Exp. 2015. V. 2. № 9. Р. 095010. https://doi.org/10.1088/2053-1591/2/9/095010
  37. Nasrazadani S., Raman A. // Corros. Sci. 1993. V. 34. № 8. P. 1355. https://doi.org/10.1016/0010-938X(93)90092-U
  38. Pecharroman C., Gonzalez-Carreno T., Iglesias J.E. // Phys. Chem. Miner. 1995. V. 22. P. 21. https://doi.org/10.1007/BF00202677
  39. Anthony J.W., Bideaux R.A., Bladh K.W. Magnetite. Handbook of mineralogy. Chantilly, VA: Mineralogical Society of America, 2018.
  40. Jülich Centre for Neutron Science, QtiKWS 2019. Available online: www.qtisas.com
  41. Жерновой А.И., Дьяченко С.В. // Журн. техн. физики. 2015. Т. 85. № 4. С. 118.
  42. Schaefer D.W., Justice R.S. // Macromolecules. 2007. V. 40. № 24. P. 8501. https://doi.org/10.1021/ma070356w
  43. Баранчиков А.Е., Копица Г.П., Ёров Х.Э. и др. // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 6. С. 774.
  44. Koizumi S., Yue Z., Tomita Y. et al. // Eur. Phys. J. E. 2008. V. 26. № 1–2. P. 137. https://doi.org/10.1140/epje/i2007-10259-3
  45. Guinier A., Fournet G., Walker C.B., Yudowitch K.L. Small-Angle Scattering of X-rays. New York: Wiley, 1955.
  46. Beaucage G., Ulibarri T.A., Black E.P. et al. Hybrid Organic-Inorganic Composites / Eds. By Mark J. et al. ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 1995.
  47. Štěpánek M., Matějíček P., Procházka K. et al. // Langmuir. 2011. V. 27. № 9. P. 5275. https://doi.org/10.1021/la200442s
  48. Bale H.D., Schmidt P.W. // Phys. Rev. Lett. 1984. V. 53. № 6. P. 596. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.53.596
  49. Beaucage G. // J. Appl. Crystallogr. 1995. V. 28. № 6. P. 717. https://doi.org/10.1107/S0021889895005292
  50. Ivanova L.A., Ustinovich K.B., Khamova T.V. et al. // Materials. 2020. V. 13. № 9. P. 2087. https://doi.org/10.3390/ma13092087
  51. Larsson P.T., Stevanic-Srndovic J., Roth S.V. et al. // Cellulose. 2022. V. 29. № 1. P. 117. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04291-x
  52. Guild J.D., Knox S.T., Burholt S.B. et al. // Macromolecules. 2023. V. 56. № 16. P. 6426. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c00585
  53. Porod G. // Kolloid-Zeitschrift. 1952. V. 125. № 1. P. 51. https://doi.org/10.1007/BF01519615
  54. Hammouda B. // J. Appl. Crystallogr. 2010. V. 43. № 4. P. 716. https://doi.org/10.1107/S0021889810015773
  55. Schmidt P.W., Avnir D., Levy D. et al. // J. Chem. Phys. 1991. V. 94. № 2. P. 1474. https://doi.org/10.1063/1.460006

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Experimental two-dimensional scattering intensities in different polarization states of incident neutrons and the difference IMN(q, α) = I -(q, α) - I+(q, α) obtained for iron oxide nanopowders during measurements in an external magnetic field H = 1 T. The square in the center of the detector is a trace from the beam absorber (beamstop).

Download (410KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependences of the nuclear dΣN(q)/dΩ (○), magnetic dΣM(q)/dΩ (■), and magnetic-nuclear interference dΣNM(q)/dΩ (◊) contributions to the MURPN cross section for iron oxides: a - γ-Fe2O3 (No. 1); b - γ-Fe2O3-Fe3O4 (No. 2); c - γ-Fe2O3-Fe3O4 @OleicAcid (No. 3); d - Fe3O4-γ-Fe2O3 (No. 4); e - natural Fe3O4; f - commercial Fe3O4 from q, obtained from two-dimensional spectra (Fig. 1). Solid lines are the result of fitting experimental data by formulas (4)-(7), (9).

Download (462KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of the magnetic cross section dΣM(q)/dΩ of MURPN at H ~ 0 for iron oxides: a - γ-Fe2O3 (No. 1); b - γ-Fe2O3-Fe3O4 (No. 2); c - γ-Fe2O3-Fe3O4 @OleicAcid (No. 3); d - Fe3O4-γ-Fe2O3 (No. 4) on q. Solid lines are the result of fitting the experimental data by formulas (7) and (9).

Download (252KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».