Синтез и электромагнитные свойства нанокомпозитов FeCoNi/C на основе поливинилового спирта

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.

1. Xu 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.2006.11.174

2. Khadzhiev 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/S0965544116060049

3. Efimov 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/S0219581X19500315

4. 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. V. 47. P. S32—S67.

5. 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.200602866

6. Afghahi 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.2014.06.040

7. Liu 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.2009.11.011

8. Liu 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.2012.06.022

9. Xie 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)60115-1

10. Ibrahim 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/JP304236X

11. Yang 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.2011.12.136

12. Lu 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.2007.10.030

13. Wang 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.2013.03.028

14. Fan 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.2007.07.034

15. Zhang 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.2012.06.005

16. Муратов 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.

17. Муратов 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.

18. Кожитов 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/S0044457X17110137

19. Vasilev 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.2019.05.034

20. Муратов 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: 10.30791/0015-3214-2018-6-26-34

21. Vasilev 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/347/1/012011

22. Ferrari 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.2007.03.052

23. Ferrari 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.64.075414