Магнитно-углеродные нанокомпозиты Fe3O4, синтезированные методом магнитно-индукционного нагрева

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7244 (2023) Цитировать эту статью

338 Доступов

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье опубликована 1 июня 2023 г.

Эта статья обновлена

Магнитно-индукционный нагрев (МИН) наночастиц магнетита используется в качестве новой процедуры синтеза магнитных нанокомпозитов на основе углерода. Магнитные наночастицы (Fe3O4) и фруктозу (массовое соотношение 1:2) механически смешивали и подвергали воздействию радиочастотного магнитного поля (305 кГц). Тепло, выделяемое наночастицами, приводит к разложению сахара и образованию аморфной углеродной матрицы. Проведен сравнительный анализ двух наборов наночастиц со средним размером диаметра 20 и 100 нм. Структурные (рентгеновская дифракция, рамановская спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)), электрические и магнитные (сопротивление, СКВИД-магнитометрия) характеристики подтверждают углеродное покрытие наночастиц с помощью процедуры MIH. Процент углеродистой фракции соответственно увеличивают, контролируя магнитную нагревательную способность магнитных наночастиц. Процедура позволяет синтезировать многофункциональные нанокомпозиты с оптимизированными свойствами для применения в различных технологических областях. В частности, представлено удаление Cr(VI) из водных сред с использованием углеродного нанокомпозита с наночастицами Fe3O4 размером 20 нм.

Нанокомпозиты, определяемые как многофазные материалы, в которых хотя бы один из размеров матрицы имеет размер менее 100 нм, представляют собой класс наноматериалов, который интенсивно изучается в течение нескольких десятилетий1. В частности, их многофункциональный характер дает возможность применения их в различных секторах, охватывающих широкий спектр технологических приложений. Сочетание различных элементов со специфическими каталитическими, магнитными, электронными и оптическими свойствами, а также функциональностью поверхности приводит к их выдающимся оптимизированным характеристикам. Среди этих систем выделяются магнитно-углеродные нанокомпозиты2,3,4,5,6, где покрытие магнитных наночастиц углеродом, помимо обеспечения желаемой полифункциональности, повышает термическую и химическую стабильность, стойкость к окислению, обеспечивая биосовместимость и высокую удельную поверхность. Правильный контроль функциональных групп на углеродной поверхности приводит к созданию высокоэффективных адсорбентов загрязнителей, наноносителей для доставки лекарств и лечения рака, а также оптимизирует работу нанокомпозитов в качестве электрокатализаторов или компонентов хранения энергии в литиевых батареях. Кроме того, магнитный сердечник расширяет функциональность нанокомпозита: магнитная сепарация (утилизация и переработка адсорбентов загрязнителей), биомедицинские применения (температурная доставка лекарств, магнитная гипертермия, контрастные вещества для изображений) или микроволновые электромагнитные поглотители и фильтры, среди прочего.

Для получения наноструктур на основе углерода7 могут использоваться различные химические процессы, большинство из которых основаны на термической обработке выбранных прекурсоров при повышенных температурах (т.е. гидротермальный/сольвотермический метод, процедура пиролиза, золь-гель-процесс). Однако процедуры нетеплового радиационного нагрева также изучались и анализировались как эффективные методы синтеза наноматериалов и нанокомпозитов8. В этих методах (например, микроволновом нагреве, лазерном нагреве, джоулевом нагреве или нагреве магнитной индукцией) тепло генерируется непосредственно и локально внутри объектов, в отличие от традиционных термических обработок, при которых внешнее тепло передается объектам через среду.

В частности, магнитно-индукционный нагрев (МИН) представляет собой традиционный металлургический инструмент, основанный на нагреве, связанном с генерацией вихревых токов при приложении переменного магнитного поля к металлическим (проводящим) элементам9. Джоулев нагрев приводит к практически мгновенному нагреву при очень высоких температурах в течение нескольких секунд. Однако хорошо известно и в последние десятилетия широко сообщалось, что магнитные наночастицы (МНЧ) могут действовать как нанонагреватели, что связано с их магнитным гистерезисом, релаксацией и резонансными процессами при воздействии радиочастотного магнитного поля (магнитной гипертермии)10,11. За последние десятилетия были предприняты большие усилия по его применению в биомедицинском секторе (доставка лекарств и терапия рака)12,13. Однако его применение в других технологических областях, таких как синтез новых нанокомпозитов, в литературе практически не анализировалось. В частности, генерация тепла МНЧ в переменном магнитном поле может быть использована для прокаливания геля-предшественника оксида металла14, контролируемого роста металлоорганических каркасов15, нанокатализатора гидрирования Ru16 или оптимизированных магнитных наночастиц оксида железа17.