سنتز نانوکامپوزیت‌های Fe3O4/SiO2/TiO2-Ag با ساختار هسته-پوسته و بررسی خواص مغناطیسی آن‌ها

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

فردین قاسمی پیران لو ¹ , سعیده داداشیان ² , فاطمه باورسی ها ³

1 - مدیر و ریاست بخش پژوهش آزمایشگاه معتمد محیط زیست، شرکت فن آوران زیست کره، ابهر، زنجان، ایران
2 - کارشناس تحقیق آزمایشگاه معتمد محیط زیست، شرکت فن آوران زیست کره، ابهر، زنجان، ایران
3 - کارشناس آموزش آزمایشگاه معتمد محیط زیست، شرکت فن آوران زیست کره، ابهر، زنجان، ایران

تاریخ دریافت : 1395/07/30 تاریخ پذیرش : 1397/02/18 تاریخ انتشار : 1397/02/01

کلید واژه: نانوکامپوزیت, ساختار هسته-پوسته, تیتانیوم اکسید, ذرات نقره, بازیابی مغناطیسی,

چکیده مقاله :

در این پژوهش نانوکامپوزیت‌های  Fe3O4/SiO2/TiO2-Agبا ساختار هسته- پوسته در چند مرحله تهیه شدند. ابتدا ذرات اکسید آهن به روش احیای کربن سنتز شدند. سپس کامپوزیت Fe3O4/SiO2 با استفاده از پیش ماده تترااتیل اورتوسیلیکات (TEOS) از طریق فرآیند سل-ژل سنتز شد. در ادامه لایه TiO2 با استفاده از پیش ماده تترابوتیل اورتوتیتانات (TBOT) به طور مستقیم بر روی سیلیکا پوشش داده شد و در نهایت ذرات نقره با استفاده از فرآیند شیمیایی تر بر روی لایه تیتانیا (TiO2) قرار گرفتند. نانوکامپوزیت‌های تهیه شده با استفاده از آنالیزهای میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی (FESEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، آنالیز پراش اشعه ایکس (XRD) مشخصه یابی شدند. نتایج حاکی از آن بود که لایه‌نشانی در هر مرحله به طور موفقیت آمیزی انجام شده است و نانو کامپوزیت‌های Fe3O4/SiO2/TiO2-Ag با ساختار هسته-پوسته تشکیل شدند. اندازه ذرات اکسید آهن به طور میانگین 400-300 نانومتر بوده و پس از لایه نشانی سیلیکا تقریباً 450-400 نانومتر شدند و در نهایت پس از قرارگیری لایه تیتانیا، اندازه ذرات نهایی به 480-450 نانومتر به‌دست آمد. همچنین نتایج خواص مغناطیسی با استفاده از مغناطیس­سنج ارتعاشی (VSM) نشان داد که خاصیت مغناطیسی نانوکامپوزیت‌های Fe3O4/SiO2/TiO2-Ag در مقایسه با ذرات اولیه Fe3O4 کم‌تر شده است که به دلیل حضور لایه‌ها بر روی ذرات اولیه است.

چکیده انگلیسی:

In this study, core–shell structure Fe₃O₄/SiO₂/TiO₂-Ag nanocomposites were synthesized in several stages. At first the Fe₃O₄ magnetic particles were obtained using the carbon reduction method. Then the Fe₃O₄/SiO₂ composite was synthesized using Tetraethyl orthosilicate (TEOS) precursor via sol-gel method. In the following a shell of TiO₂ was coated directly on it. Finally, Ag particle was deposited on the surface of TiO₂ nano-shell by an in situ wet chemistry route. Prepared nanocomposites were characterized by environmental scanning electron microscopy analysis (FESEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD) and Vibrating Sample Magnetometer (VSM). The results revealed Fe₃O₄/SiO₂/TiO₂–Ag nanocomposites have been successfully synthesized. The average size of Fe₃O₄ particles was about 300-400 nm and the size of Fe3O4/SiO2 particles is averagely between 400-450 nm and the average size of Fe₃O₄/SiO₂/TiO₂-Ag particles was calculated between 450-480 nm. Saturation magnetization (M_s) of nanocomposite showed a decreasing from 80emu/g to 37emu/g. Further coating of SiO₂ and TiO₂ decreases the saturation magnetization.

منابع و مأخذ:

- ن. بهرمندی طلوع، م.ح. فتحی، ا. منشی، و. مرتضوی، ف. شیرانی و م. محمدی سیچانی، "سنتز و ارزیابی رفتار ضدباکتریایی نانوذرات تیتانیا دوپ شده با نقره به عنوان یک افزودنی ضدباکتریایی به مواد دندانی"، مجله مواد نوین، جلد 4، شماره 1، ص 34-21، پاییز 92.

2- H. Liu, Z. Jia, S. Ji, Y. Zheng, M. Li, H. Yang, "Synthesis of TiO₂/SiO₂@Fe₃O₄ magnetic microspheres and their properties of photocatalytic degradation dyestuff", Catalysis Today 175, 293– 298, 2011.

3- J.P. Cheng, R. Ma, M. Li, J.S. Wu, F. Liu, X.B. Zhang," Anatase nanocrystals coating on silica-coated magnetite: Role of

polyacrylic acid treatment and its photocatalytic properties", Chemical Engineering Journal 210, 80–86, 2012.

4- Z. Teng, X. Su, G. Chen, C. Tian, H. Li, L. Ai, G. Lu, "Superparamagnetic high-magnetization composite microspheres with Fe₃O₄@SiO₂ core and highly crystallized mesoporous TiO₂ shell", Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 402, 60–65, 2012.

5- W. Wu, C.Z. Jiang, V.A.L. Roy, "Recent progress in magnetic iron oxide-semiconductor composite nanomaterials as promising photocatalysts", Nanoscale 7, 38–58, 2015.

6- Z. Liu, F.T. Chen, Y.P. Gao, Y. Liu, P.F. Fang, S.J. Wang, "A novel synthetic route for magnetically retrievable Bi₂WO₆ hierarchical microspheres with enhanced visible photocatalytic performance", J. Mater. Chem. A1, 7027–7030, 2013.

7- V. Belessi, D. Lambropoulou, I. Konstantinou, R. Zboril, J. Tucek, D. Jancik, T. Albanis, D. Petridis, "Structure and photocatalytic performance of magnetically separable titania photocatalysts for the degradation of propachlor", Appl. Catal. B, 87, 181-189, 2009.

8- D. Beydoun, R. Amal, G. Low, S. McEvoy, "Occurrence and prevention of photodissolution at the phase junction of magnetite and titanium dioxide", J. Mol. Catal. A, 180, 193-200, 2002.

9- X. F. Song, L. Gao, "Fabrication of bifunctional titania/silica-coated magnetic spheres and their photocatalytic activities", J. Am. Ceram. Soc., 90, 4015-4019, 2007.

10- C. X. Wang, L. W. Yin, L. Y. Zhang, L. Kang, X. F. Wang, R. Gao, "Magnetic (γ-Fe₂O₃@SiO₂)_n@TiO₂ Functional Hybrid Nanoparticles with Actived Photocatalytic Ability", J. Phys. Chem. C, 113, 4008, 2009.

11- J.C. Aphesteguy, S.E. Jacobo, N.N. Schegoleva, G.V. Kurlyandskaya, "Characterization of Nanosized Spinel Ferrite Powders Synthesized by Coprecipitation and Autocombustion Method", J. Alloys Compd. 495 509–512, 2010.

12- Z.H. Zhou, J. Wang, X. Liu, H.S.O. Chan, "Synthesis of Fe₃O₄ nanoparticles from emulsions", J. Mater. Chem. 11, 1704–1709, 2001.

13- H. L. Ding, Y. X. Zhang, S. Wang, J. M. Xu, S. C. Xu and G. H. Li, "Fe₃O₄@SiO₂ Core/Shell Nanoparticles: The Silica Coating Regulations with a Single Core for Different Core Sizes and Shell Thicknesses", Chem. Mater., 24, 4572, 2012.

14- M. Stjerndahl, M. Andersson, H. E. Hall, D. M. Pajerowski, M. W. Meisel and R. S. Duran, "Superparamagnetic Fe₃O₄/SiO₂ Nanocomposites: Enabling the Tuning of Both the Iron Oxide Load and the Size of the Nanoparticles", Langmuir, 24, 3532, 2008.

15- R. Fu, X. Jin, J. Liang, W. Zheng, J. Zhuang and W. Yang, "Preparation of nearly monodispersed Fe₃O₄/SiO₂ composite particles from aggregates of Fe3O4 nanoparticles", J. Mater. Chem., 21, 15352, 2011.

16- Y. Wang, X. Peng, J. Shi, X. Tang, J. Jiang and W. Liu, "Highly selective fluorescent chemosensor for Zn²⁺ derived from inorganic-organic hybrid magnetic core/shell Fe₃O₄@SiO₂ nanoparticles", Nanoscale Res. Lett., 7, 86, 2012.

17- C. Hui, C. Shen, J. Tian, L. Bao, H. Ding, C. Li, Y. Tian, X. Shia and H. J. Gao, "Core-shell Fe₃O₄@SiO₂ nanoparticles synthesized with well-dispersed hydrophilic Fe₃O₄ seeds", Nanoscale, 3, 701, 2011.

18- Everett. D. H, "Basic princinples of Colloid Science", Royal Society of Chemistry, 1988.

19- T. Hirakawa, P.V. Kamat, "Charge separation and catalytic activity of Ag@TiO₂ core–shell composite clusters under UV-irradiation", J. Am. Chem. Soc. 127, 3928–3934, 2005.

20- J.F. Guo, B. Ma, A. Yin, K. Fan, W.L. Dai, "Photodegradation of rhodamine B and 4- chlorophenol using plasmonic photocatalyst of Ag-AgI/Fe₃O₄@SiO₂ magnetic nanoparticle under visible light irradiation", Appl. Catal. B Environ. 101, 580–586, 2011.

21- B. Cui, H. Peng, H. Xia, X. Guo, H. Guo, "magnetically recoverable core–shell nanocomposites -Fe₂O₃@SiO₂@TiO₂–Ag with enhanced photocatalytic activity and antibacterial activity", Separation and Purification Technology 103: 251–257, 2013.

22- Junyang Li, Libo Gao, Qiang Zhang, Ruiting Feng, Hongyan Xu, JieWang, Dong Sun, and Chenyang Xue, "Photocatalytic Property of Fe₃O₄/SiO₂/TiO₂ Core-Shell Nanoparticle with Different Functional Layer Thicknesses", Journal of Nanomaterials, Article ID 986809, 7 pages, 2014.

23-Y. H. Deng, C. C. Wang, J. H. Hu, W. L. Yang, and S. K. Fu, "Investigation of formation of silica-coated magnetite nanoparticles via sol-gel approach", Colloids and Surfaces A, vol. 262, no. 1–3, pp. 87–93, 2005.

24- M.M. Ye, Q. Zhang, Y.X. Hu, J.P. Ge, Z.D. Lu, L. He, Z.L. Chen, Y.D. Yin, "Magnetically recoverable core–shell nanocomposites with enhanced photocatalytic activity", Chem. Eur. J. 16 (2010) 6243–6250.

25- Y. Chi, Q. Yuan, Y.J. Li, L. Zhao, N. Li, X.T. Li, W.F. Yan, "Magnetically separable Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂-Ag microspheres with well-designed nanostructure and enhanced photocatalytic activity", J. Hazard. Mater. 262 (2013) 404–41.

26- Haiping Qi, Jing Ye, Nan Tao, Minghua Wen, Qianwang Chen, "Synthesis of octahedral magnetite microcrystals with high crystallinity and low coercive field", Journal of Crystal Growth 311, 394–398, 2009.

27- Xiaotai Zhang,  Jiaqi Wan, Kezheng Chen, Shuxian Wang, "Controlled synthesis of spherical and cubic nanocrystal clusters", Journal of Crystal Growth 372, 170–174, 2013.

28- Sachnin A. Kulkarni, P. S. Sawadh, Prakash K. Palei, "Synthesis and Characterization of Superparamagnetic Fe₃O₄@SiO₂ Nanoparticles", Journal of the Korean Chemical Society, Vol. 58, No. 1, 2014.

29- J. Lee, M. Othman, Y. Eom, T. Lee, W. Kim, J. Kim, "The effects of sonification and TiO₂ deposition on the micro-characteristics of the thermally treated SiO₂/TiO₂ spherical core–shell particles for photo-catalysis of methyl orange", Microp-orous Mesoporous Mater. 116 (2008) 561–568.

30- J.W. Lee, K. Hong, W.S. Kim, J. Kim, "Effect of HPC concentration and ultrasonic dispersion on the morphology of titania-coated silica particles", Journal of Industrial Engineering Chemistry 11 (2005) 609–614.

31- Jian Wang, Jinghai Yang, Xiuyan Li, Bing Wei, Dandan Wang, Hang Song, Hongju Zhai, Xuefei Li, "Synthesis of Fe₃O₄@SiO₂@ZnO–Ag core–shell microspheres for the repeated photocatalytic degradation of rhodamine B under UV irradiation", Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 406 (2015) 97–105.

32- X. Wang, L.Y. Wang, X.W. He, Y.K. Zhang, L.X. Chen, "A molecularly imprinted polymer-coated nanocomposite of magnetic nanoparticles for estrone recognition". Talanta, 2009, 78: 327―332.