СИНТЕЗ МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦ ND2FE14B@SIO2 Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 544.032.53

Вертаева Д.А., Абдурахмонов О.Э., Мурадова А.Г., Юртов Е.В.

СИНТЕЗ МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦ Nd2Fei4B@SiÜ2

Вертаева Дарья Алексеевна - бакалавр 4-го года обучения кафедры наноматериалов и нанотехнологии; e-mail: [email protected].

Абдурахмонов Одилжон Эшмухаммад угли, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Мурадова Айтан Галандаровна, к.х.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Юртов Евгений Васильевич - д.х.н., профессор, чл.-корр. РАН.

ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.

Представлены результаты синтеза наноразмерных частиц NdFe14B@SiO2 химическим путем с использованием солей железа и неодима, а также последующее покрытие их оболочкой с помощью модифицированного метода Штобера. Размер полученных наночастиц варьировался от 35 до 125 нм, средний размер составил 65 нм.

Ключевые слова: наночастицы неодим-железо-бор, магнитные наночастицы, структура ядро оболочка, m2FeuB@SiO2

SYNTHESIS OF MODIFIED NANOPARTICLES Nd2Fe14B@SiO2

Vertaeva D.A., Abdurakhmonov Ü.E., Muradova A.G., Yurtov E.V. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russian Federation

The chemical synthesis of Nd2Fe14B@SiO2 nanoparticles using iron and neodymium salts, followed by coating with the shell using the modified Stöber method. The size of the obtained nanoparticles varied from 35 to 125 nm; the average size was 65 nm.

Key words: neodymium-iron-boron nanoparticles, magnetic nanoparticles, core-shell structure, Nd2FeuB@SiO2

Постоянные магниты играют важную роль в сфере науки и технологии. Ученые продолжают открывать все новые соединения, обладающие улучшенными магнитными характеристиками и физическими свойствами. Главной движущей силой при разработке и поиске необычных решений в области магнитов является улучшение производительности и энергоэффективности приборов с использованием магнитов.

Современные технологии требуют

одновременную минимизацию объема магнитов с

увеличением магнитных характеристик. Одним из представителей малогабаритных сильных магнитов является магнит на основе Nd-Fe-B, при одинаковой энергии он имеет объем в несколько раз меньше по сравнению с другими магнитными материалами (рис.1). Среди всех магнитов Nd2Fel4B имеют максимальную энергию продукта 56 кЭ (~445,7 кДж/м3) с остаточной силой ~14 кГс (1,4 Тл) и собственной коэрцитивной силой ~ 10 кЭ (796 кА/м)

[1-3].

и

400

320 ■

240 -

1G0 -

ВО ■

Стать

Г

Феррит

АЛЬНИКО

m

SmCoi

I

Nd-Fe-B «

gmJEd-^i-iT-iL Wi^Oxü-

Стал=- fi

ÎWihi MK

Jfe

-.A-1

à

Э

ù

— 60

— 40

(О

— 30

m

- 20

10

1920

1S3Û

ISSU

Juüi

301D

ZUM

Рис. 1. Историческое развитие магнитных материалов. Требуемые размеры для получения магнитов с

одинаковой энергией

На сегодняшний день основными методами получения магнитов системы Nd2Fel4B являются металлургические методы: дуговая плавка, механохимическое измельчение, механическое легирование и быстрая закалка. Однако у металлургических методов много недостатков, такие как: широкий гранулометрический состав, сложность получения наноразмерных частиц, широкий диапазон распределения частиц по размерам, длительное время обработки и т.д. Все недостатки в конечном итоге приводят к ухудшению магнитных свойств и увеличению стоимости продукта. Были предприняты попытки применения химических методов синтеза для получения магнитов системы Nd2Fel4B. Их использование для получения постоянных магнитов Nd2Fe14B имеет множество преимуществ, заключающихся в однородной морфологии частиц, контролируемом размере частиц, уменьшении энергопотребления процесса, сокращении времени синтеза и более низкой стоимости [3].

В данной работе рассматривается синтез наноразмерных частиц Nd2Fe14B@SiO2 химическим путем с использованием солей железа и неодима и последующим покрытием оболочкой с помощью модифицированного метода Штобера.

На первом этапе синтеза был использован метод восстановления солей железа и неодима борогидридом натрия. Во время синтеза происходила агрегация наночастиц. Поэтому для получения одинарных наночастиц проводилась ультразвуковая обработка. Размер синтезированных наночастиц находился в диапазоне от 30 до 100 нм. Так как при воздействии кислорода воздуха могло происходить окисление поверхности наночастиц, поэтому полученные наночастицы пассивировали в непрерывном потоке азота на протяжении 12 ч. Для дополнительной стабилизации на поверхность наночастиц наносили оболочку из оксида кремния с помощью модифицированного метода Штобера. Перед ненесением оболочки поверхность наночастиц

системы Nd-Fe-B модифицировали 3-аминопропилтриэтоксисиланом (АПТМС).

В данной работе было проведено исследование синтезированных наночастиц Nd2Fel4B с оболочкой и без оболочки с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

В процессе соосаждения происходило образование наночастиц системы Nd-Fe-B, а также их последующий ростом и агрегация. На состав и размер синтезируемых частиц влияет несколько факторов, например концентрации солей железа и неодима, соотношение ионов металлов №3+, Fe3+ и BH4-. Кроме того, хорошо известно, что бор при диффузионной реакции насыщает металлы. В зависимости от концентрации борогидрида натрия процесс соосаждения может идти по следующим реакциям [4]:

вн- + гн2о = во- + 4н2 т (1)

ВН- + 2М+ + 2Н20 = 2М + ВО- + 4Н+ + 2Н2 Т

(2)

ВН- + 2Н20 = В I + ОН~ + 2.5Н2 Т (3)

Данная методика синтеза имеет преимущество ряд преимуществ при синтезе частиц нанометрового размера. При использовании данного метода можно контролировать кинетику зародышеобразования и дальнейший рост наночастиц, варьируя концентрации борогидрида натрия. Синтез сплава на основе Nd и Fe методом соосаждения также имеет преимущество с точки зрения увеличения скорости реакции восстановления-диффузии для образование тройного сплава Nd-Fe-B.

Наночастицы Nd-Fe-B, синтезированные методом соосаждения (рис. 2а), агрегировали из-за высокой поверхностной энергии и диполь-дипольного взаимодействия между отдельными наночастицами. Размер агрегатов достигал одного микрометра.

Рис 2. ПЭМ-микрофотографии наночастиц М-Гг-Б (а) и наночастиц со структурой ядро/оболочка

Кй2¥еиВ@$Ю2 (б)

Для разрушения агрегатов перед нанесением оболочки SiO2 водную суспензию подвергали ультразвуковому воздействию. Затем поверхность модифицировали с помощью АПТМС, так как при нанесении оболочки без модификации поверхности наночастиц Ыс1-Рс-В может происходить нуклеация

ШЬхЫЬО FeCùxiïbO

оксида кремния и образование частиц SiO2 [5]. Это может происходить из-за низкого сродства тетраэтоксисилана (ТЭОС) к поверхности наночастиц Nd-Fe-B. Схема процесса нанесения оболочки на синтезированные наночастицы представлена на рисунке 3.

ТЛ, h,ï-J|-L.r

+NaBH<

Nd-Fe-B

Ы11ТМС.

/

J. H +тг)Г>(-

—MÜ-CCKH.-0H tH

SiO:

A

î: rü

Рис 3. Схема нанесения оболочки из оксида кремния и образования наночастиц SiO2 М^ре^ @БЮ2

Полярные аминогруппы в АПТМС адсорбируются на поверхности наночастиц Nd-Fe-B. Это не только улучшает сродство ТЭОС к поверхности наночастиц Nd-Fe-B, но и способствует образованию однородной оболочки из SiO2.

На ПЭM-изображении (рис 2б) показаны наночастицы Nd2Fe14B, покрытые оксидом кремния. На микрофотографии видно, что наночастицы покрыты оболочкой, но они агрегированы. Возможно, что агрегация происходила во время подготовки образца. Размер частиц с оболочкой Nd-Fe-B@SiÛ2 находился в диапазоне от 35 нм до 125 нм. Средний размер наночастиц частиц составил 67 нм, толщина оболочки была приблизительно равна 8-15 нм.

Таким образом, были синтезированы наночастицы Nd2Fei4B@SiÛ2, ядро которых, состоящее из Nd-Fe-B, было синтезировано методом соосаждения, а оболочка оксида кремния нанесена с использованием модифицированного метода Штобера.

Список литературы

1. Abdurakhmonov O.E., Yurtov E.V., Savchenko E.S., Savchenko A.G. Chemical synthesis and research

nanopowder of magnetic hard alloy NdisFeysB? // Journal of Physics: Conference Series. VII All-Russian Conference on Nanomaterials (NANO), 2020, Vol.1688

2. Алисултанов М.Э., Абдурахмонов О.Э., Юртов Е.В., Савченко А.Г., Савченко Е.С. Механохимический синтез и исследование магнитных нанопорошков Nd2Fe14B. Том XXXIV, № 8 (231). - М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева 2020. с. 6062.

3. Coey, J. M. D. Perspective and Prospects for Rare Earth Permanent Magnets. Engineering, 2020, Vol. 6(2), p.119-131.

4. Km C. W., Km Y. H., Cha H. G., Kang Y. S. Study on synthesis and magnetic properties of Nd-Fe-B alloy via reduction-diffusion process. Physica Scripta, 2007, 129, p.321-325.

5. Li L., Chen Q., Gao Z., Ge Y., Yi J. Fe@SiO2@(MnZn)Fe2O4 soft magnetic composites with enhanced permeability and low core loss for high-frequency applications. Journal of Alloys and Compounds, 2019, Vol.805, p.609-616.