اثرشرایط مختلف عملیات حرارتی روی نانوذرات فریت نیکل و بررسی حساسیت آنها نسبت به فرمالدئید

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

غلامرضا ابوطالبی ¹ , حمیدرضا ابراهیمی ² , حسین امامی ³ , سعید دانشمند ⁴ , غلامرضا امیری ⁵

1 - گروه برق و کامپیوتر، واحد شهر مجلسی، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
2 - گروه شیمی، واحد فریدن، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
3 - گروه برق و کامپیوتر، واحد شهر مجلسی، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
4 - گروه مکانیک، واحد شهر مجلسی، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران
5 - گروه فیزیک، واحد فلاورجان، دانشگاه آزاد اسلامی، اصفهان، ایران

تاریخ دریافت : 1399/01/13 تاریخ پذیرش : 1400/02/20 تاریخ انتشار : 1399/12/01

کلید واژه: عملیات حرارتی, نانو‌ذرات NiFe2O4, حساسیت‌پذیری, شیب دمایی, گاز فرمالدئید,

چکیده مقاله :

در این مطالعه از روش هم­رسوبی با در نظر گرفتن دو متغیر برای ساخت نانو­ذرات NiFe₂O₄ بهره گرفته شده است. دو متغیر روش سنتز یکی شیب دمایی رسیدن به دمای عملیات حرارتی C° 500 شامل C/sec° 10 ، C/sec° 35 و C/sec° 60 و دیگری  فشار اکسیژن خالص به عنوان اتمسفر عملیات حرارتی به مدت یک ساعت در  psi5/0،  psi1 و psi5/1 می­باشد. به این ترتیب نه نمونه به­دست آمده است که در بین آن­ها، نمونه با بهترین پاسخ­حسگری به فرمالدئید(  نمونه با شیب دمایی C/sec° 10 و فشار اکسیژن خالص psi1 )، مورد مطالعه ساختاری قرار گرفته است. برای بررسی ساختار این نانو­ذرات، از آزمایش­های پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری و طیف نشری فلوئورسانس پرتو ایکس استفاده شده است. آزمون پراش پرتو ایکس، تشکیل فاز فریت نیکل را تایید می کند. آزمایش­های میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی عبوری، نانو ساختار بودن فریت نیکل را تایید می­نماید. آزمایش طیف نشری فلوئورسانس پرتو ایکس، نسبت فرمولی ارائه شده NiFe₂O₄ را تایید می­کند. خاصیت حسگری NiFe₂O₄ در برابر گاز فرمالدئید، در دمای 100 درجه سانتی­گراد بررسی شد. برای آزمون حساسیت­پذیری نانوحساسه ها از یک سیستم آزمایشگاهی با قابلیت کنترل دما و رطوبت با حجم 5 لیتر استفاده شده است. این سیستم مجهز به یک گرم­کن حساسه با کنترل دما برای گرم کردن حساسه­ها می­باشد. برای این نانو­حساسه با بهترین پاسخ به فرمالدئید در دمای 100 درجه سانتی­گراد به ثبت رسیده است. در این راستا رابطه بین غلظت گاز فرمالدئید ( از ppm20 تا ppm200) و تغییر مقاومت نانو­حساسه مورد بررسی قرار گرفته است.

چکیده انگلیسی:

In this study, NiFe2O4 nanoparticles, with respecting two variables, were prepared through co-precipitation. These two variables are the temperature gradient reaching the temperature of the heat treatment of 500 °C at 10°C/sec, 35°C/sec and 60 °C/sec and the pure oxygen pressure as the heat treatment atmosphere for one hour, at 0.5 psi, 1 psi, and 1.5 psi. So, we found 9 samples, that the sample with the best sensitivity response to formaldehyde (sample with 10°C/sec heat treatment and 1 psi pure oxygen pressure) was characterized. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transition electron microscopy (TEM) and X-ray fluorescence (XRF) experiments were used to study the structure of these nanoparticles. X-ray diffraction experiment has verified formation of nickel ferrite phases. Furthermore, scanning electron microscopy and transition electron microscopy experiments confirmed that the ferrite was indeed a nano-structure. Finally, NiFe2O4 formula ratio was derived by X-ray fluorescence experiment. The sensitivity property of NiFe2O4 nanoparticles for formaldehyde gas detection was studied at 100 °C. For testing the sensitivity of nanosensors, a laboratory 5 liters system was used with temperature and humidity control. This system equipped with a temperature control heater for heating sensors. Relationship between gas concentration (from 20 ppm to 200 ppm) and resistance change of nano sensor with the best response to formaldehyde was investigated.

منابع و مأخذ:

 

[1] H. R. Ebrahimi, M. Parish, G. R. Amiri, B. Bahraminejad, S. Fatahian Synthesis, characterization and gas sensitivity investigation of Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄ nanoparticles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 414 (2016) 55–58.

[2] S. Maensiri, C. Masingboon, B. Boonchom, S. Seraphin, A simple route to synthesize nickel ferrite (NiFe₂O₄) nanoparticles using egg white, Scripta Materialia 56 (9) (2007) 797–800.

[3] H. Li, H.Wu, G. Xiao, Effects of synthetic conditions on particle size and magnetic properties of NiFe₂O₄, Powder Technology 198 (1) (2010) 157–166.

[4] D.S. Jung, Y.Ch. Kang, Effects of precursor types of Fe and Ni components on the properties of NiFe₂O₄ powders prepared by spray pyrolysis, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 321 (6) (2009) 619–623.

[5] P. Deb, A. Basumallick, S. Das, Controlled synthesis of monodispersed superparamagnetic nickel ferrite nanoparticles, Solid State Communications 142 (12) (2007) 702–705.

[6] م. دوازده امامی، ر. معمارزاده، س. جوادپور، " بررسی نانوکامپوزیت لایه نازک PSS:PEDOT/SnO2 به عنوان حسگر گاز CO "، مجله مواد نوین، جلد 4، شماره 2، 66-55، زمستان 1392.

[7] ب. میرزایی، ع. ضرابی، م. رفیعی نیا، " طراحی و ساخت حسگر الکتروشیمیایی نانوکامپوزیتی گرافن-بتاسیکلودکسترین به منظور جذب اختصاصی داروهای کورکومین، کلروپرومازین و کلومپیرامین "، مجله مواد نوین، جلد 7، شماره 4، 123-113، تابستان 1396.

[8] H. Zhao, X. Sun, Ch. Mao, J. Du, Preparation and microwave-absorbing properties of NiFe2O4–polystyrene composites, Phys B Condens Matter 404 (1) (2009) 69–72.

[9] E. Hasmonay, J. Depeyrot, M.H. Sousa, F.A. Tourinho, J.C. Bacri, R. Perzynski, Optical properties of nickel ferrite ferrofluids, J Magn Magn Mater 201 (1–3) (1999) 195–199.

[10] H. Yin, H.P. Too, G.M. Chow, The effects of particle size and surface coating on the cytotoxicity of nickel ferrite, Biomaterials 26 (29) (2005) 5818–5826.

[11] A. Kale, S. Gubbala, R.D.K. Misra, Magnetic behavior of nanocrystalline nickel ferrite synthesized by the reverse micelle technique, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 277 (3) (2004) 350–358.

[12] Hamid Reza Ebrahimi, Hasan Usefi, Hossein Emami and Gholam Reza Amiri “Synthesis, Characterization, and Sensing Performance Investigation of Copper Cadmium Ferrite Nanoparticles” IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, No.10, Vol.54, 2018.

[13] A.B. Gadkari, T.J. Shinde, P.N. Vasambekar, Ferrite gas sensors, IEEE Sensors Journal 11 (2011) 849–861.

[14] K. Mukherjee, S.B. Majumder, Synthesis process induced improvement on the gas sensing characteristics of nano-crystalline magnesium zinc ferrite particles, Sensors and Actuators B 162 (2012) 229–236.

[15] M. Afsharnia and S. M. Hamidi, “Characterization of Au/Fe/Au and Au/Co/Au magneto-plasmonic multilayers as an ethanol vapor sensor,” IEEE Trans. Magn., vol. 54 (2018) no. 1, pp. 1-7.

[16] N. S. Chen, X. J. Yang, E. S. Liu, and J. L. Huang, “Reducing gas-sensing properties of ferrite compounds MFe2O4 (M=Cu, Zn, Cd and Mg),” Sens. Actuators B, Chem.,vol. 66, pp. 178-180, 2000.

[17] Saeed Nosohiyan, Hamid Reza Ebrahimi, Amir Abbas Nourbakhsh, and Gholam Reza Amiri “Synthesis, Characterization, and Sensing Performance Investigation of Nickel Ferrite Nanoparticles for Ammonia Detection” IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, No.12, Vol.55, 2019.

[18] Adil Shafi Ganie, Sayfa Bano, Saima Sultana, Suhail Sabir, Mohammad Zain Khan,“ Ferrite Nanocomposite Based Electrochemical Sensor: Characterization, Voltammetric and Amperometric Studies for Electrocatalytic Detection of Formaldehyde in Aqueous Media” Electroanalysis An International Journal of Devoted to Electroanalysis, Sensor and Bioelectronic Devices, Volume 33, Issue 1, January 2021, Pages: 233-248.