mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-4-260-269WVYIUEmateltech-433Research ArticleНаноматериалы и нанотехнологииNANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGYСинтез и электромагнитные свойства нанокомпозитов FeCoNi/C на основе поливинилового спиртаNanocomposites FeCoNi/C based on polyvinyl alcohol: synthesis and electromagnetic propertieshttps://orcid.org/0000-0002-4865-288XМуратовД. Г.MuratovD. G.

Ленинский просп., д. 29, Москва, 119991;

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Муратов Дмитрий Геннадьевич — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник (1), доцент (2)

29 Leninsky Prospekt, Moscow 119991;

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Dmitry G. Muratov — Cand. Sci. (Eng.), Leading Researcher (1), Assistant Professor (2)

muratov@ips.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4973-1328КожитовЛ. В.KozhitovL. V.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Кожитов Лев Васильевич — доктор техн. наук, профессор

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Lev V. Kozhitov — Dr. Sci (Eng.), Professor

kozitov@misis.ruКазарянТ. М.KazaryanT. M.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Казарян Тигран Месропович — аспирант

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Tigran M. Kazaryan — Postgraduate Student

tigrankasaryn@mail.ruВасильевА. А.Vasil'evA. A.

Ленинский просп., д. 29, Москва, 119991;

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Васильев Андрей Александрович — младший научный сотрудник (1), доцент (2)

29 Leninsky Prospekt, Moscow 119991;

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Andrey A. Vasil'ev — Junior Researcher (1), Assistant Professor (2)

vasilev@ips.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4657-9305ПопковаА. В.PopkovaA. V.

ул. Железнодорожная, д. 24, Подольск, Московская обл., 143103

Попкова Алёна Васильевна — канд. техн. наук, старший научный сотрудник

24 Zheleznodorozhnaya Str., Podolsk, Moscow Region 142103

Alena V. Popkova — Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

popkova-alena@rambler.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5213-2951КоровинЕ. Ю.KorovinE. Yu.

просп. Ленина д. 36, Томск, 634050

Коровин Евгений Юрьевич — канд. физ.-мат. наук, кафедра радиоэлектроники радиофизического факультета

36 Prospekt Lenina, Tomsk 634050

Evgeniy Yu. Korovin — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Department of Radioelectronics, Faculty of Radiophysics

korovin_ey@mail.tsuИнститут нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияTopchiev Institute for Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences; National University of Science and Technology MISiSRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian FederationИнститут нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияTopchiev Institute for Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences; National University of Science and Technology MISiSRussian FederationНИИ НПО «ЛУЧ»РоссияLUCH Research and Production AssociationRussian FederationНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian Federation202025022021234260269Copyright © Муратов Д.Г., Кожитов Л.В., Казарян Т.М., Васильев А.А., Попкова А.В., Коровин Е.Ю., 20212021Муратов Д.Г., Кожитов Л.В., Казарян Т.М., Васильев А.А., Попкова А.В., Коровин Е.Ю.Muratov D.G., Kozhitov L.V., Kazaryan T.M., Vasil'ev A.A., Popkova A.V., Korovin E.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/433

Синтезированы тройные наночастицы FeCoNi, распределенные и стабилизированные в углеродной матрице металлоуглеродных нанокомпозитов FeCoNi/C. Синтез нанокомпозитов осуществляли методом контролируемого ИК-пиролиза прекурсоров типа «полимер — нитраты металлов», полученных совместным растворением компонентов с последующим удалением растворителя. Исследовано влияние температуры синтеза на структуру, состав и электромагнитные свойства нанокомпозитов. Методом РФА было показано, что образование тройных наночастиц FeCoNi происходит за счет растворения Fe в наночастицах твердого раствора NiCo. С повышением температуры синтеза увеличивается размер наночастиц металлов, что определяется процессами их агломерации и коалесценции при перестройке матрицы. Также в зависимости от температуры синтеза могут образовываться наночастицы тройного сплава с различным составом, причем указанное в прекурсоре соотношение металлов достигается при 700 °С. Методом Рамановской спектроскопии было показано, что с увеличением температуры синтеза степень кристалличности углеродной матрицы нанокомпозитов возрастает, и могут образовываться графеновые структуры, состоящие из нескольких слоев. Исследованы частотные зависимости относительной комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости нанокомпозитов в диапазоне 3—13 ГГц. Показано, что повышение температуры синтеза приводит к значительному увеличению как диэлектрических, так и магнитных потерь (~2 раза). Первые связаны с формированием сложной наноструктуры углеродной матрицы нанокомпозита, а вторые определяются увеличением размера наночастиц и сдвигом частоты EФМР в низкочастотную область. Расчеты потерь на отражение (РЛ) проводились по стандартной методике на основе экспериментальных данных частотных зависимостей комплексной магнитной и диэлектрической проницаемости. Показано, что регулирование частотного диапазона и величины поглощения электромагнитных волн (от 50 до 94 %) может осуществляться путем изменения температуры синтеза нанокомпозитов.

Triple FeCoNi nanoparticles distributed and stabilized in the carbon matrix of FeCoNi/C metal-carbon nanocomposites were synthesized. The synthesis of nanocomposites was carried out by controlled IR pyrolysis of precursors of the "polymer-metal nitrates" type, obtained by joint dissolution of the components with subsequent removal of the solvent. The effect of the synthesis temperature on the structure, composition, and electromagnetic properties of nanocomposites has been studied. It was shown by XRD that the formation of ternary FeCoNi nanoparticles occurs through the dissolution of Fe in the nanoparticles of the NiCo solid solution. With an increase in the synthesis temperature, the size of metal nanoparticles increases, which is determined by the processes of their agglomeration and coalescence during matrix rearrangement. Also, depending on the synthesis temperature, nanoparticles of a ternary alloy with different compositions can be formed, and the ratio of metals specified in the precursor is achieved at 700 °C. By Raman spectroscopy was shown  that, with an increase in the synthesis temperature, the degree of crystallinity of the carbon matrix of nanocomposites increases, and graphene structures consisting of several layers can be formed. The frequency dependences of the relative complex dielectric and magnetic permeabilities of nanocomposites in the range of 3–13 GHz were studied. It is shown that an increase in the synthesis temperature causes a significant increase in both dielectric and magnetic losses (~ 2 times). The former are associated with the formation of a complex nanostructure of the carbon matrix of the nanocomposite, while the latter are determined by an increase in the size of nanoparticles and a shift of the EFMR frequency to the low-frequency region. Reflection loss (RL) calculations were performed according to the standard procedure based on experimental data of the frequency dependences of the complex magnetic and dielectric permittivity. It was shown that control of the frequency range and absorption value of electromagnetic waves (from 50 to 94%) can be carried out by changing the temperature of synthesis of nanocomposites. 

металлоуглеродные нанокомпозитыкомплексная диэлектрическая и магнитная проницаемостьнаночастицы FeCoNiРаман-спектроскопияпотери на отражениетангенс потерьFeCoNi nanoparticlesmetal-carbon nanocompositescomplex permittivity and permeabilityloss tangentreflection lossRaman spectroscopyВ части синтеза нанокомпозитов работа выполнена в рамках Государственного задания Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева.The synthesis of nanocomposites in this study was carried out as part of a State Program of Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of Sciences.ReferencesXu Y. H., Bai J., Wang J. P. High-magnetic-moment multifunctional nanoparticles for nanomedicine applications // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007. V. 311, Iss. 1. P. 131—134. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.11.174Xu Y. H., Bai J., Wang J. P. High-magnetic-moment multifunctional nanoparticles for nanomedicine applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007, vol. 311, iss. 1, pp. 131—134. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.11.174Khadzhiev S. N., Kulikova M. V., Ivantsov M. I., Zemtsov L. M., Karpacheva G. P., Muratov D. G., Bondarenko G. N., Oknina N. V. Fischer–Tropsch synthesis in the presence of nanosized iron-polymer catalysts in a fixed-bed reactor // Petroleum Chemistry. 2016. V. 56. P. 522—528. DOI: 10.1134/S0965544116060049Khadzhiev S. N., Kulikova M. V., Ivantsov M. I., Zemtsov L. M., Karpacheva G. P., Muratov D. G., Bondarenko G. N., Oknina N. V. Fischer–Tropsch synthesis in the presence of nanosized iron-polymer catalysts in a fixed-bed reactor. Petroleum Chemistry. 2016. vol. 56, pp. 522—528. DOI: 10.1134/S0965544116060049Efimov M. N., Mironova E. Yu., Pavlov A. A., Vasilev A. A., Muratov D. G., Dzidziguri E. L., Yaroslavtsev A. B., Karpacheva G. P. Novel polyacrylonitrile-based C/Co-Ru metal-carbon nanocomposites as effective catalysts for ethanol steam reforming // International Journal of Nanoscience. 2020. V. 19, N 04, P. 1950031. DOI: 10.1142/S0219581X19500315Efimov M. N., Mironova E. Yu., Pavlov A. A., Vasilev A. A., Muratov D. G., Dzidziguri E. L., Yaroslavtsev A. B., Karpacheva G. P. Novel polyacrylonitrile-based C/Co-Ru metal-carbon nanocomposites as effective catalysts for ethanol steam reforming. International Journal of Nanoscience. 2020, vol. 19, no. 04, 1950031. DOI: 10.1142/S0219581X19500315Gubin S. P., Spichkin Y. I., Yurkov G. Yu., Tishin A. M. Nanomaterial for high-density magnetic data storage // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2002. V. 47. P. S32—S67.Gubin S. P., Spichkin Y. I., Yurkov G. Yu., Tishin A. M. Nanomaterial for high-density magnetic data storage. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2002, vol. 47, pp. S32—S67.Lu An-H., Salabas E. L., Schüth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application // Angewandte Chemie International Edition. 2007. V. 46, N 8. P. 1222—1244. DOI: 10.1002/anie.200602866Lu An-H., Salabas E. L., Schüth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application. Angewandte Chemie International Edition. 2007, vol. 46, no. 8, pp. 1222—1244. DOI: 10.1002/anie.200602866Afghahi S. S., Shokuhfar. A. S. Two step synthesis, electromagnetic and microwave absorbing properties of FeCo@C core-hell nanostructure // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014. V. 370. P. 37—44. DOI: 10.1016/J.JMMM.2014.06.040Afghahi S. S., Shokuhfar. A. S. Two step synthesis, electromagnetic and microwave absorbing properties of FeCo@C core-hell nanostructure. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2014, vol. 370, pp. 37—44. DOI: 10.1016/J.JMMM.2014.06.040Liu X. G., Ou Z. Q., Geng D. Y., Han Z., Jiang J. J., Liu W., Zhang Z. D. Influence of a graphite shell on the thermal and electromagnetic characteristics of FeNi nanoparticles // Carbon. 2010. V. 48, Iss. 3. P. 891—897. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.11.011Liu X. G., Ou Z. Q., Geng D. Y., Han Z., Jiang J. J., Liu W., Zhang Z. D. Influence of a graphite shell on the thermal and electromagnetic characteristics of FeNi nanoparticles. Carbon. 2010, vol. 48, iss. 3, pp. 891—897. DOI: 10.1016/j.carbon.2009.11.011Liu Q., Cao B., Feng C., Zhang W., Zhu S., Zhang D. High permittivity and microwave absorption of porous graphitic carbons encapsulating Fe nanoparticles // Composites Science and Technology. 2012. V. 72, Iss. 13. P. 1632—1636. DOI: 10.1016/J.COMPSCITECH.2012.06.022Liu Q., Cao B., Feng C., Zhang W., Zhu S., Zhang D. High permittivity and microwave absorption of porous graphitic carbons encapsulating Fe nanoparticles. Composites Science and Technology. 2012, vol. 72, iss. 13, pp. 1632—1636. DOI: 10.1016/J.COMPSCITECH.2012.06.022Xie Z., Geng D., Liu X., Ma S., Zhang Z. Magnetic and microwave-absorption properties of graphite-coated (Fe,Ni) nanocapsules // Journal of Materials Science and Technology. 2011. V. 27, Iss. 7. P. 607—614. DOI: 10.1016/S1005-0302(11)60115-1Xie Z., Geng D., Liu X., Ma S., Zhang Z. Magnetic and microwave-absorption properties of graphite-coated (Fe,Ni) nanocapsules. Journal of Materials Science and Technology. 2011, vol. 27, iss. 7, pp. 607—614. DOI: 10.1016/S1005-0302(11)60115-1Ibrahim E. M. M., Hampel S., Wolter A. U. B., Kath M., El-Gendy A. A., Klingeler R., Täschner C., Khavrus V. O., Gemming T., Leonhardt A., Büchner B. Superparamagnetic FeCo and FeNi nanocomposites dispersed in submicrometer-sized C spheres // The Journal of Physical Chemistry C. 2012. V. 116, N 42. P. 22509—22517. DOI: 10.1021/JP304236XIbrahim E. M. M., Hampel S., Wolter A. U. B., Kath M., El-Gendy A. A., Klingeler R., Täschner C., Khavrus V. O., Gemming T., Leonhardt A., Büchner B. Superparamagnetic FeCo and FeNi nanocomposites dispersed in submicrometer-sized C spheres. The Journal of Physical Chemistry C. 2012, vol. 116, no. 42, pp. 22509—22517. DOI: 10.1021/JP304236XYang Y., Qi S., Wang J. Preparation and microwave absorbing properties of nickel-coated graphite nanosheet with pyrrole via in situ polymerization // Journal of Alloys and Compound. 2012. V. 520. P. 114—121. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.12.136Yang Y., Qi S., Wang J. Preparation and microwave absorbing properties of nickel-coated graphite nanosheet with pyrrole via in situ polymerization. Journal of Alloys and Compound. 2012, vol. 520, pp. 114—121. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.12.136Lu B., Dong X. L., Huang H., Zhang X. F., Zhu X. G., Lei J. P., Sun J. P. Microwave absorption properties of the core/shell-type iron and nickel nanoparticles // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2008. V. 320, Iss. 6. P. 1106—1111. DOI: 10.1016/J.JMMM.2007.10.030Lu B., Dong X. L., Huang H., Zhang X. F., Zhu X. G., Lei J. P., Sun J. P. Microwave absorption properties of the core/shell-type iron and nickel nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2008, vol. 320, iss. 6, pp. 1106—1111. DOI: 10.1016/J.JMMM.2007.10.030Wang B., Zhang J., Wang T., Qiao L., Li F. Synthesis and enhanced microwave absorption properties of Ni@Ni2O3 core-shell particles // Journal of Alloys and Compounds. 2013. V. 567. P. 21—25. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2013.03.028Wang B., Zhang J., Wang T., Qiao L., Li F. Synthesis and enhanced microwave absorption properties of Ni@Ni2O3 core-shell particles. Journal of Alloys and Compounds. 2013, vol. 567, pp. 21—25. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2013.03.028Fan Y., Yang H., Liu X., Zhu H., Zou G. Preparation and study on radar absorbing materials of nickel-coated carbon fiber and flake graphite // Journal of Alloys and Compounds. 2008. V. 461, Iss. 1–2. P. 490—494. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2007.07.034Fan Y., Yang H., Liu X., Zhu H., Zou G. Preparation and study on radar absorbing materials of nickel-coated carbon fiber and flake graphite. Journal of Alloys and Compounds. 2008, vol. 461, iss. 1–2, pp. 490—494. DOI: 10.1016/J.JALLCOM.2007.07.034Zhang T., Huang D., Yang Y., Kang F., Gu J. Fe3O4/carbon composite nanofiber absorber with enhanced microwave absorption performance // Journal of Materials Science and Engineering: B. 2013. V. 178, Iss. 1. P. 1—9. DOI: 10.1016/j.mseb.2012.06.005Zhang T., Huang D., Yang Y., Kang F., Gu J. Fe3O4/carbon composite nanofiber absorber with enhanced microwave absorption performance. Journal of Materials Science and Engineering: B. 2013, vol. 178, iss. 1, pp. 1—9. DOI: 10.1016/j.mseb.2012.06.005Муратов Д. Г., Кожитов Л. В., Коровушкин В. В., Коровин Е. Ю., Попкова А. В., Новоторцев В. М. Синтез, структура и электромагнитные свойства нанокомпозитов с трехкомпонентными наночастицами Fe, Co, Ni // Известия вузов. Физика. 2018. Т. 61, № 10. С. 40—49.Muratov D. G., Kozhitov L. V., Korovushkin V. V., Korovin E. Y., Popkova A. V., Novotortsev V. M. Synthesis, structure and electromagnetic properties of nanocomposites with three-component FeCoNi nanoparticles. Russian Physics Journal. 2019, vol. 61, no. 10, pp. 1788—1797. DOI: 10.1007/s11182-019-01602-5Муратов Д. Г., Кожитов Л. В., Карпенков Д. Ю., Якушко Е. В., Коровин Е.Ю., Васильев А. В., Попкова А. В., Казарян Т. М., Шадринов А. В. Синтез и магнитные свойства нанокомпозитов Fe-Co-Ni/С // Известия вузов. Физика. 2017. Т. 60, № 11. С. 67—73.Muratov D. G., Kozhitov L. V., Karpenkov D. Yu., Yakushko E. V., Korovin E. Yu., Vasil’ev A. V., Popkova A. V., Kazaryan T. M., Shadrinov A. V. Synthesis and magnetic properties of Fe–Co–Ni/С nanocomposites. Russian Physics Journal. 2018, vol. 60, no. 11. pp. 1924—1930. DOI: 10.1007/s11182-018-1304-yКожитов Л. В., Муратов Д. Г., Костишин В. Г., Сусляев В. И., Коровин Е. Ю., Попкова А. В. Синтез, магнитные и электромагнитные свойства нанокомпозитов FeCo/C // Журнал неорганической химии. 2017. Т. 62, № 11. С. 1507—1514. DOI: 10.7868/S0044457X17110137Kozhitov L. V., Muratov D. G., Kostishin V. G., Suslyaev V. I., Korovin E. Yu., Popkova A. V. FeCo/C nanocomposites: synthesis, magnetic and electromagnetic properties. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2017, vol. 62, no. 11. pp. 1499—1507. DOI: 10.1134/S0036023617110110Vasilev A. A., Efimov M. N., Bondarenko G. N., Muratov D. G., Dzidziguri E. L., Ivantsov M. I., Kulikova M. V., Karpacheva G. P. Fe—Co alloy nanoparticles supported on IR pyrolyzed chitosan as catalyst for Fischer-Tropsch synthesis // Chemical Physics Letters. 2019. V. 730. P. 8—13. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.05.034Vasilev A. A., Efimov M. N., Bondarenko G. N., Muratov D. G., Dzidziguri E. L., Ivantsov M. I., Kulikova M. V., Karpacheva G. P. Fe—Co alloy nanoparticles supported on IR pyrolyzed chitosan as catalyst for Fischer-Tropsch synthesis. Chemical Physics Letters. 2019, vol. 730, pp. 8—13. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.05.034Муратов Д. Г., Васильев А. А., Ефимов М. Н., Карпачева Г. П., Дзидзигури Э. Л., Чернавский П. А. Металл-углеродные нанокомпозиты FeNi/C: получение, фазовый состав, магнитные свойства // Физика и химия обработки материалов. 2018. № 6. С. 26—34. DOI: 10.30791/0015-3214-2018-6-26-34Muratov D. G., Vasilev A. A., Efimov M. N., Karpacheva G. P., Dzidziguri E. L., Chernavskiy P. A. Metal-carbon nanocomposites FeNi/C: production, phase composition, magnetic properties. Inorganic Materials: Applied Research. 2019, vol. 10, no. 3, pp. 666—672. DOI: 10.1134/S2075113319030298Vasilev A. A., Dzidziguri E. L., Muratov D. G., Zhilyaeva N. A., Efimov M. N., Karpacheva G. P. Morphology and dispersion of FeCo alloy nanoparticles dispersed in a matrix of IR pyrolized polyvinyl alcohol // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. V. 347. P. 012011. DOI: 10.1088/1757-899X/347/1/012011Vasilev A. A., Dzidziguri E. L., Muratov D. G., Zhilyaeva N. A., Efimov M. N., Karpacheva G. P. Morphology and dispersion of FeCo alloy nanoparticles dispersed in a matrix of IR pyrolized polyvinyl alcohol. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018, vol. 347, pp. 012011. DOI: 10.1088/1757-899X/347/1/012011Ferrari A. C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects // Solid State Communications. 2007. V. 143, N 1–2. P. 47—57. DOI: 10.1016/j.ssc.2007.03.052Ferrari A. C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. Solid State Communications. 2007, vol. 143, no. 1–2, pp. 47—57. DOI: 10.1016/j.ssc.2007.03.052Ferrari A. C., Robertson J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamondlike carbon // Physical Review B. 2001. V. 64. N 7. P. 0754141—07541413. DOI: 10.1103/PhysRevB.64.075414Ferrari A. C., Robertson J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamondlike carbon. Physical Review B. 2001, vol. 64, no. 7, pp. 0754141—07541413. DOI: 10.1103/PhysRevB.64.075414

The authors declare that there are no conflicts of interest present.