Синтез, структура и электромагнитные свойства нанокомпозитов FeCoAl/C

Магнитные наночастицы играют важную роль в современных быстроразвивающихся отраслях науки и производственной сфере, таких как устройства магнитной записи и создание феррожидкостей, медицина и химия. Одной из проблем использования магнитных наночастиц является их высокая химическая активность, приводящая к окислению на воздухе и агломерации и определяемая вкладом их высокой удельной поверхности по отношению к объему. Покрытие наночастиц углеродом уменьшает взаимодействие между наночастицами. Методом ИК-пиролиза прекурсоров типа «полимер — соли металлов» синтезированы металл-углеродные нанокомпозиты FeCoAl/C. Изучено влияние температуры синтеза (ИК-нагрева) в диапазоне от 500 до 700 °С на структуру и состав полученных наноматериалов. Показано образование наночастиц тройного твердого раствора FeCoAl с ОЦК-типом кристаллической решетки на основе FeCo. Установлено, что с ростом температуры синтеза от 500 до 700 °С средний размер области когерентного рассеяния трехкомпонентных наночастиц увеличивается с 5 до 19 нм. Повышение содержания алюминия с 20 до 30 % относительно Fe и Co приводит к уменьшению наночастиц до 15 нм, но при этом образуется также твердый раствор на основе кристаллической решетки ГЦК-Со. Показано, что с ростом температуры синтеза нанокомпозитов и росте относительного содержания Al за счет более глубокой карбонизации и структурообразующего воздействия металлов снижается степень аморфности углеродной матрицы нанокомпозитов и наблюдается формирование упорядоченной структуры кристаллитов графитоподобной фазы. Изучено влияние температуры синтеза и относительного содержания металлов на электромагнитные характеристики (комплексную диэлектрическую и магнитные проницаемости) полученных нанокомпозитов. Показано влияние условий синтеза на радиопоглощающие свойства, в частности на потери на отражение (RL) в диапазоне 3—13 ГГц.

1. Gubin S.P., Spichkin Y.I., Yurkov G.Yu., Tishin A.M. Nanomaterial for high-density magnetic data storage. Russian J. Inorg. Chem. 2002; 47(1): S32—S67. http://www.amtc.ru/publications/articles/5rus.pdf

2. Lu An-Hui, Salabas E.L., Schüth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization, and application. Angew. Chem. Int. Ed. 2007; 46(8): 1222—1244. https://doi.org/10.1002/anie.200602866

3. Xu Y.H., Bai J., Wang J.P. High-magnetic-moment multifunctional nanoparticles for nanomedicine applications. J. Magn. Magn. Mater. 2007; 311(1): 131—134. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.11.174

4. 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. Pet. Chem. 2016; 56(6): 522—528. https://doi.org/10.1134/S0965544116060049

5. Xu M.H., Zhong W., Qi X.S., Au C.T., Deng Y., Du Y.W. Highly stable Fe–Ni alloy nanoparticles encapsulated in carbon nanotubes: Synthesis, structure and magnetic properties. J. Alloys Compd. 2010; 495(1): 200—204. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.01.121

6. Bahgat M., Paek M.-K., Pak J.-J. Comparative synthesize of nanocrystalline Fe-Ni and Fe-Ni-Co alloys during hydrogen reduction of NixCO1-xFe2O4. J. Alloys Compd. 2008; 466(1-2): 59—66. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.01.147

7. Azizi A., Yoozbashizadeh Н., Sadmezhaad S.K. Effect of hydrogen reduction on microstructure and magnetic properties of mechanochemically synthesized Fe–16.5Ni–16.5Co nano-powder. J. Magn. Magn. Mater. 2009; 321(18): 2729—2732. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2009.03.085

8. Li X., Takahashi S. Synthesis and magnetic properties of Fe-Co-Ni nanoparticles by hydrogen plasma-metal reaction. J. Magn. Magn. Mater. 2000; 214(3): 195—203. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(00)00081-0

9. Dalavi S.B., Theerthagiri J., Raja M.M., Panda R.N. Synthesis, characterization and magnetic properties of nanocrystalline FexNi80-xCo20 ternary alloys. J. Magn. Magn. Mater. 2013; 344: 30—34. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2013.05.026

10. Prasad N.Kr., Kumar V. Microstructure and magnetic properties of equiatomic FeNiCo alloy synthesized by mechanical alloying. J. Mater. Sci: Mater. Electron. 2015; 26(12): 10109—10118. https://doi.org/10.1007/s10854-015-3695-7

11. Zehani K., Bez R., Boutahar A., Hlil E.K., Lassri H., Moscovici J., Mliki N., Bessais L. Structural, magnetic, and electronic properties of high moment FeCo nanoparticles. J. Alloys Compd. 2014; 591: 58—64. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.11.208

12. Nautiyal P., Seikh Md.M., Lebedev O.I., Kundu A.K. Sol-gel synthesis of Fe–Co nanoparticles and magnetization study. J. Magn. Magn. Mater. 2015; 377: 402—405. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.10.157

13. Ang K.H., Alexandrou I., Mathur N.D., Amaratunga G.A.J., Haq S. The effect of carbon encapsulation on the magnetic properties of Ni nanoparticles produced by arc discharge in de-ionized water. Nanotechnology. 2004; 15(5): 520—524. https://doi.org/10.1088/0957-4484/15/5/020

14. Afghahi S.S.S., Shokuhfar A. Two step synthesis, electromagnetic and microwave absorbing properties of FeCo@C core–shell nanostructure. J. Magn. Magn. Mater. 2014; 370: 37—44. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.06.040

15. 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. J. Phys. Chem. C. 2012; 116(42): 22509—22517. https://doi.org/10.1021/jp304236x

16. 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; 48(3): 891—897. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.11.011

17. Liu X., Or S.W., Ho S.L., Cheung C.C., Leung C.M., Han Z., Geng D., Zhang Z. Full X–Ku band microwave absorption by Fe(Mn)/Mn7C3/C core/shell/shell structured nanocapsules. J. Alloys Compd. 2011; 509(37): 9071—9075. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.06.031

18. Liu Q., Cao B., Feng C., Zhang W., Zhu S., Zhang D. High permittivity and microwave absorption of porous graphitic carbons encapsulating Fe nanoparticles. Compos. Sci. Technol. 2012; 72(13): 1632—1636. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2012.06.022

19. Xie Zh., Geng D., Liu X., Ma S., Zhang Zh. Magnetic and microwave-absorption properties of graphite-coated (Fe,Ni) nanocapsules. J. Mater. Sci. Technol. 2011; 27(7): 607—614. https://doi.org/10.1016/S1005-0302(11)60115-1

20. Yang Y., Qia S., Wang J. Preparation and microwave absorbing properties of nickel-coated graphite nanosheet with pyrrole via in situ polymerization. J. Alloys Compd. 2012; 520: 114—121. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.12.136

21. Zhao D.L., Zhang J.M., Li X., Shen Z.M. Electromagnetic and microwave absorbing properties of Co-filled carbon nanotubes. J. Alloys Compd. 2010; 505(2): 712—716. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.06.122

22. Zhao D.L., Li X., Shen Z.M. Preparation and electromagnetic and microwave absorbing properties of Fe-filled carbon nanotubes. J. Alloys Compd. 2009; 471(1-2): 457—460. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.03.127

23. 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. J. Alloys Compd. 2008; 461(1-2): 490—494. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.07.034

24. Zhang T., Huang D., Yang Y., Kang F., Gu J. Fe3O4/carbon composite nanofiber absorber with enhanced microwave absorption performance. Mater. Sci. Eng. B. 2013; 178(1): 1—9. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2012.06.005

25. Lu B., Dong X.L., Huang H., Zhang X.F., Zh X.G., Lei J.P., Sun J.P. Microwave absorption properties of the core/shell-type iron and nickel nanoparticles. J. Magn. Magn. Mater. 2008; 320(6): 1106—1111. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2007.10.030

26. Wang B., Zhang J., Wang T., Qiao L., Li F. Synthesis and enhanced microwave absorption properties of Ni@Ni2O3 core-shell particles. J. Alloys Compd. 2013; 567: 21—25. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.03.028

27. Wang Z., Xiao P., He N. Synthesis and characteristics of carbon encapsulated magnetic nanoparticles produced by a hydrothermal reaction. Carbon. 2006; 44(15): 3277—32841. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.06.026

28. Singh A., Lavigne P. Deposition of diamond-like carbon films by low energy ion beam and d.c. magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 1991; 47(1-3): 188—200. https://doi.org/10.1016/0257-8972(91)90281-Z

29. Dumitrache F., Morjan I., Fleaca С., Birjega R., Vasile E., Kuncser V., Alcxandrescu R. Parametric studies on iron-carbon composite nanoparticles synthesized by laser pyrolysis for increased passivation and high iron content. Appl. Surf. Sci. 2011; 257(12): 5265—5269. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2010.11.069

30. Yu F., Wang J.N., Sheng Z.M., Su L.F. Synthesis of carbon-encapsulated magnetic nanoparticles by spray pyrolysis of iron carbonyl and ethanol. Carbon. 2005; 43(14): 3018—3021. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2005.06.008

31. Lin X.G., On Z.Q., Geng D.Y., Han Z., Jiang J.J., Lin W., Zhang Z.D. Influence of a graphite shell on the thermal and electromagnetic characteristics of FeNi nanoparticles. Carbon. 2010; 48(3): 891—897. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.11.011

32. Патент 2686223 С1 (RU). Способ синтеза нанокомпозитов Ag/C. Л.В. Кожитов, В.С. Сонькин, А.Р. Муралеев, Е.Г. Сидин, Д.Д. Маганов, Д.Г. Муратов, Е.В. Якушко, А.В. Попкова, 2019. https://patents.s3.yandex.net/RU2686223C1_20190424.pdf

33. Патент 2593145 (RU). Способ получения нанокомпозита FeNi3/С в промышленных масштабах. В.В. Козлов, Д.Г. Муратов, В.Г. Костишин, Е.В. Якушко, Г.Е. Гельман, 2016. https://patents.s3.yandex.net/RU2593145C1_20160727.pdf

34. Муратов Д.Г., Козлов В.В., Крапухин В.В., Кожитов Л.В., Карпачева Г.П., Земцов Л.М. Исследование электропроводности и полупроводниковых свойств нового углеродного материала на основе ИК-пиролизованного полиакрилонитрила ((C3H3N)n). Известия вузов. Материалы электронной техники. 2007; (3): 26—30.

35. Kozitov L.V., Kostikova A.V., Kozlov V.V., Bulatov M.F. The FeNi3/C nanocomposite formation from the composite of Fe and Ni salts and polyacrylonitrile under IR-heating. J. Nanoelectron. Optoelectron. 2012; (7): 419—422.

36. Земцов Л.М., Карпачева Г.П., Ефимов М.Н., Муратов Д.Г., Багдасарова К.А. Углеродные наноструктуры на основе ИК-пиролизованного полиакрилонитрила. Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2006; 48(6): 977—982.

37. Karpacheva G.P., Bagdasarova K.A., Bondarenko G.N., Zemtsov L.M., Muratov D.G., Perov N.S. Co-carbon nanocomposites based on IR-pyrolyzed polyacrylonitrile. Polymer Sci. A. 2009; 51(11-12): 1297—1302. https://doi.org/10.1134/S0965545X09110157

38. Dzidziguri L., Zemtsov L.M., Karpacheva G.P., Muratov D.G., Sidorova E.N. Preparation and structure of metal-carbon nanocomposites Cu-C. Nanotechnol. Russia. 2010; 5(9-10): 665—668. https://doi.org/10.1134/S1995078010090119

39. Ferrari A.C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Phys. Rev. B. 2000; 61(20): 14095—14107. https://doi.org/10.1103/physrevb.61.14095

40. Tuinstra F., Koenig J.L. Raman spectrum of graphite. J. Chem. Phys. 1970; 53(3): 1126—1130. https://doi.org/10.1063/1.167410

41. Ferrari A.C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. Solid State Commun. 2007; 143(1-2): 47—57. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2007.03.052