Sinteza, morfologija, mikrostruktura i magnetne osobine nanočestičnog hematita

Abstract

Predmet ovog rada je usmeren na istraţivanja nanočestičnog hematita (α-Fe2O3). U ovom radu su ispitivana tri uzorka. Cilj istraţivanja bio je da se dobiju uzorci nanočestičnog hematita sa velikom jačinom koercitivnog polja na sobnoj temperaturi. Prvi uzorak α-Fe2O3(SC) sintetisan je metodom vodenog sagorevanja, sa ureom kao gorivom. Dobijena je visoka koncentracija nanočestica hematita u amorfnoj matrici aluminijum oksida i neobična sunĎerasta morfologija. Ove čestice porozne strukture pogodne su za primenu u medicini, tj. kao prenosioci lekova na odreĎene lokalitete u organizmu, pri čemu se lekovi smeštaju u pore amorfne matrice aluminijum oksida. Drugi uzorak α-Fe2O3(HDT) pokazuje efekat anizotropije oblika, što utiče na magnetne osobine, posebno na povećanje jačine koercitivnog polja. Morfologija pločica moţe poboljšati magnetna svojstva nanomaterijala, što moţe imati veliki značaj u fundamentalnim istraţivanjima i u tehnološkim primenama. Treći uzorak α-Fe2O3(TD), superstrukture slične naru, ima izrazito veliku jačinu koercitivnog polja na sobnoj temperaturi, koja je meĎu najvišim za nanočestični hematit. Dobijena vrednost jačine koercitivnog polja za α-Fe2O3(TD) na sobnoj temperaturi u ovom radu (HC = 4350 Oe) je oko 30 puta veća od jačine koercitivnog polja sfernih čestica. Sem toga, jačina koercitivnog polja je mnogo viša nego jačina koercitivnog polja balk hematita (HC = 1670 Oe). Ova ogromna razlika i velika vrednost jačine koercitivnog polja trebalo bi da bude pripisana novoj, jedinstvenoj, superstrukturi nanočestica, sličnoj naru. Nove magnetne osobine ove hematitne superstrukture potiču od unutrašnje mikrostrukture i jakih meĎučestičnih interakcija izmeĎu nanokristalnih subjedinica. Dobijena velika vrednost za jačinu koercitivnog polja je dobra osnova za dalja istraţivanja nanočestičnih materijala. Istraţivanje novih svojstava hematitnih superstruktura biće predmet daljeg rada. Nanočestični hematit α-Fe2O3 pokazuje širok spektar vrednosti magnetnih karakteristika i on je predmet intenzivnog naučnog, tehničkog i tehnološkog proučavanja poslednjih šesdeset godina. Za nanočestični hematit posebno su vaţne njegove magnetne karakteristike, koje se mogu podešavanjem veličine, morfologije i mikrostrukture čestica menjati u širokom opsegu vrednosti različitim sintezama i kontrolisanjem odreĎenih parametara u postupku sinteze. Hematit je najstabilniji oksid gvoţĎa sa visokom otpornošću na koroziju, biokompatibilan je i netoksičan. Nanočestični hematit se pokazao kao veoma pogodan materijal za razne primene: kao medijum za magnetni zapis, pigment, katalizator u reakcijama za oksidaciju alkohola, aldehida i ketona, za gasne senzore, litijum - jonske baterije, fotoelektrode i biomedicinske primene.

The subject of this work is research of nanoparticle hematite (α-Fe2O3). Three samples of hematite nanoparticles have been researched in this work. The aim of the research was obtaining samples of nanoparticle hematite with high intensity of coercivity at room temperature. The first sample of nanosized α-Fe2O3(SC) was synthesized by water combustion process using urea as a fuel. High concentration of nanoparticle hematite in amorphous alumina matrix and uncommon sponge-like morphology has been obtained. These particles with porous structure are suitable for medical applications as drug carriers. The second sample of nanosized α-Fe2O3(HDT) shows shape anisotropy effect which influences magnetic properties, especially increase in coercivity. Plate-like morphology can improve magnetic properties of nanosized hematite which could be of great significance in fundamental researches and technological implementations. The third sample of nanosized α-Fe2O3(TD) with pomegranate-like superstructure has high room temperature coercivity, among the highest for nanosized hematite. Room temperature coercivity of α-Fe2O3(TD), obtained in this work (HC = 4350 Oe), is about thirty times higher than coercivity of spherical nanoparticles. Besides, the obtained coercivity is much higher than coercivity of bulk hematite (HC = 1670 Oe). This great difference and high coercivity should be attributed to new, unique pomegranate-like nanoparticle superstructures. New magnetic properties of this hematite superstructure originate from internal microstructure and strong interactions between nanocrystalline subunits. The obtained high coercivity is a good foundation for future research of nanosized materials. Research of new hematite superstructures properties will be the subject of future studies. Nanosized hematite α-Fe2O3 shows wide range of magnetic properties. Therefore, it has been the subject of intensive scientific, technical and technological research last sixty years. Magnetic properties of nanoparticle hematite are particularly important. Adjusting the size, the morphology and the microstructure, they can be changed in wide range of value by different syntheses and control of certain parameters during the synthesis process. Hematite is the most stable oxide of iron with high corrosion resistance; moreover it is non-toxic and biocompatible. Nanosized hematite proved to be very good material for different applications, such as magnetic recording medium, pigment, catalytic converter in chemical reactions of alcohol, aldehyde and ketone oxidation, gas sensors, lithium - ion batteries, photo electrodes and biomedical applications.