Двухстадийный синтез нанокристаллических ферритов-шпинелей Zn_1-xMn_xFe₂O₄ (0≤x≤1) с линейной настройкой магнитных параметров

Многокомпонентные ферриты цинка имеют большое прикладное значение вследствие своих функциональных особенностей, благодаря которым они широко используются в производстве приборов СВЧ. В связи с этим особенно актуальна разработка новых методов получения исходных предкерамических нанопорошков в наноструктурированной форме. В данной работе многокомпонентные цинк-марганцевые ферриты состава Zn_1-xMn_xFe₂O₄ (x = 0; 0,2, …, 1,0) были получены термической обработкой рентгеноаморфных продуктов растворного горения при температуре 750°С и продолжительности изотермической выдержки 6 часов. Синтезированные порошки анализировали методами порошковой рентгеновской дифракции, ИК-спектроскопии и электронной микроскопии. Магнитные характеристики определяли методом вибрационной магнитометрии. Показано, что полученные образцы содержат однофазный феррит-шпинель без заметных примесей. В зависимости от количества катионов Mn²⁺ в кристаллической решетке параметры элементарной ячейки варьируются от 8,485(2) до 8,451(2) Å. Средний размер кристаллитов порошков находится в диапазоне от 29,4 нм в случае феррита цинка до 36,8 нм в случае MnFe₂O₄. Остаточная намагниченность (Ms), намагниченность насыщения (Mr) и коэрцитивная сила (Hc) также зависят от содержания катионов марганца в шпинели и составляют от 4,9 до 12,3 эме/г, от 22,4 до 76,4 эме/г и от 47,5 до 81,3 Э, соответственно и эти зависимости практически линейны. Наиболее высокие магнитные параметры обнаружены у простого марганцевого феррита, имеющего наибольший размер кристаллитов.

1. Narang S.B., Pubby K. Nickel spinel ferrites: a review. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2021, 519, 167163.

2. Varshney D., Verma K., Kumar A. Structural and vibrational properties of ZnxMn1−xFe2O4 (x = 0.0, 0.25, 0.50, 0.75, 1.0) mixed ferrites. Materials Chemistry and Physics, 2011, 131, P. 413-419.

3. Martinson K.D., Ivanov A.A., Panteleev I.B., Popkov V.I. Effect of sintering temperature on the synthesis of LiZnMnFe microwave ceramics with controllable electro/magnetic properties. Ceramics International, 2021, 47, P. 30071–30081.

4. Hwang J., Choi M., et al. Structural and magnetic properties of NiZn ferrite nanoparticles synthesized by a thermal decomposition method. Applied Sciences, 2020, 10, 6279.

5. Msomi J.Z., Nhlapo T.A., et al. Grain size effects on the magnetic properties of ZnxMn1−xFe2O4 nanoferrites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, 373, P. 74–77.

6. Azouaoui A., Haoua M.E., et al. Structural and magnetic properties of Co–Zn ferrites: density functional theory calculations and hightemperature series expansions. Computational Condensed Matter, 2020, 23, 00454.

7. Praveena K., Sadhana K., Bharadwaj S., Murthy S.R. Development of nanocrystalline Mn–Zn ferrites for high frequency transformer applications. J. of Magnetism and Magnetic Materials, 2009, 321, P. 2433–2437.

8. Dyachenko S.V., Vaseshenkova M.A., et al. Synthesis and properties of magnetic fluids produced on the basis of magnetite particles. Russian J. of Applied Chemistry, 2016, 89, P. 690–696.

9. Nandwana V., Zhou R., et al. Exchange coupling in soft magnetic nanostructures and its direct effect on their theranostic properties. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10, P. 27233–27243.

10. Cojocariu A.M., Doaga A., et al. Synthesis and functionalization of magnetic nanoparticles with possible application in drug delivery systems. Digest J. of Nanomaterials and Biostructures, 2013, 8, P. 519–527.

11. Tikhanova S.M., Lebedev L.A., et al. The synthesis of novel heterojunction h-YbFeO3/o-YbFeO3 photocatalyst with enhanced Fenton-like activity under visible-light. New J. of Chemistry, 2021, 45, P. 1541–1550.

12. Kefeni K.K., Mamba B.B., Msagati T.A.M. Application of spinel ferrite nanoparticles in water and wastewater treatment: a review. Separation and Purification Technology, 2017, 188, P. 399–422.

13. Haghniaz R., Rabbani A., et al. Anti-bacterial and wound healing-promoting effects of zinc ferrite nanoparticles. J. of Nanobiotechnology, 2021, 19, 38.

14. Martinson K.D., Panteleev I.B., Shevchik A.P., Popkov V.I. Effect os the Red/Ox ratio on the structure and magnetic behavior of Li0.5Fe2.5O4 nanocrystals synthesized by solution combustion approach. Letters on Materials, 2019, 9, P. 475–479.

15. Hu X., Guan P., Yan X. Hydrothermal synthesis of nano-meter microporous zinc ferrite. China Particuology, 2004, 2, P. 135–137.

16. Mello L.B., Varanda L.C., Sigoli F.A., Mazali I.O. Co-precipitation synthesis of (Zn–Mn)-co-doped magnetite nanoparticles and their application in magnetic hyperthermia. J. of Alloys and Compounds, 2019, 779, P. 698–705.

17. Martinson K.D., Ivanov V.A., et al. Facile combustion synthesis of TbFeO3 nanocrystals with hexagonal and orthorhombic structure. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2019, 10, P. 694–700.

18. Waqas H., Qureshi A.H. Influence of pH on nanosized Mn–Zn ferrite synthesized by sol-gel auto combustion process. J. of Thermal Analysis and Calorimetry, 2009, 98, 355.

19. Tugova E., Yastrebov S., Karpov O., Smith R., NdFeO3 nanocrystals under glycine nitrate combustion formation. J. of Crystal Growth, 2017, 467, P. 88–92.

20. Martinson K.D., Kozyritskaya S.S., Panteleev I.B., Popkov V.I. Low coercivity microwave ceramics based on LiZnMn ferrite synthesized via glycine-nitrate combustion. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2019, 10, P. 313–317.

21. Varma A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Manukyan K.V. Solution combustion synthesis of nanoscale materials. Chemical Reviews, 2016, 116, P. 14493–14586.

22. Dippong T., Levei E.A., Cadar O. Recent Advances in Synthesis and Applications of MFe2O4 (M = Co, Cu, Mn, Ni, Zn) nanoparticles. Nanomaterials, 2021, 11, 1560.

23. Novitskaya E., Kelly J.P., Bhaduri S., Graeve O.A. A review of solution combustion synthesis: an analysis of parameters controlling powder characteristics. International Materials Reviews, 2018, 66, P. 188–214.

24. Sutka A., Mezinskis G. Sol-gel auto-combustion synthesis of spinel-type ferrite nanomaterials. Frontiers of Materials Science, 2012, 6, P. 128– 141.

25. Chavarriaga E.A., Lopera A.A., et al. Gel combustion synthesis and magnetic properties of CoFe2O4, ZnFe2O4, and MgFe2O4 using 6-aminohexanoic acid as a new fuel. J. of Magnetism and Magnetic Materials, 2020, 497, 166054.

26. Popkov V.I., Martinson K.D., et al. SCS-assisted production of EuFeO3 core-shell nanoparticles: formation process, structural features and magnetic behavior. J. of Alloys and Compounds, 2021, 859, 157812.

27. Martinson K.D., Kondrashkova I.S., et al. Magnetically recoverable catalyst based on porous nanocrystalline HoFeO3 for process of n-hexane conversion. Advanced Powder Technology, 2020, 31, P. 402–408.

28. Jadhav L.D., Patil S.P., Jamale A.P., Chavan A.U. Solution combustion synthesis: role of oxidant to fuel ratio on powder properties. Materials Science Forum, 2013, 757, P. 85–98.

29. Chandra T., Ionescu M., Mantovani D. Structure and magnetic properties of Mn–Zn ferrite synthesized by glycine-nitrate auto-combustion process. Advanced Materials Research, 2011, 409, P. 520–525.

30. Albadi A., Ivanova M.S., et al. The influence of co-precipitation technique on the structure, morphology and dual-modal proton relaxivity of GdFeO3 nanoparticles. Inorganics, 2021, 9, 39.

31. Sumathi S., Nehru M., Synthesis, characterization, and influence of fuel on dielectric and magnetic properties of cobalt ferrite nanoparticles. J. of Superconductivity and Novel Magnetism, 2016, 29, P. 1317–1323.