تاثیر دما و pH بر شکل، اندازه و رنگ نانوصفحه‌‌های هماتیت سنتز شده به روش هیدروترمال

محورهای موضوعی : سرامیک ها و مواد نسوز

نجمه متولی زاده اردکانی ¹ , سعید باغشاهی ² , صبا پی رزم ³ , امیرتیمور علی آبادی زاده ⁴

1 - گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران
2 - گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه بینالمللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
3 - گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران
4 - گروه مهندسی مواد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1400/10/05 تاریخ پذیرش : 1401/03/07 تاریخ انتشار : 1401/10/01

کلید واژه: هیدروترمال, رنگ سنجی, سنتز, هماتیت, رنگدانه قرمز,

چکیده مقاله :

با کنترل شرایط سنتز می‌توان به ذرات هماتیت با شکل‌‌های هندسی مختلف و در نتیجه خواص نوری و مغناطیسی متفاوتی دست یافت. در این پژوهش، از روش هیدروترمال به دلیل پتانسیل بالای آن برای سنتز طیف گسترده‌‌ای از ذرات با شکل‌ها و اندازه‌‌های متفاوت، برای سنتز ذرات هماتیت استفاده شد. در این تحقیق بدون استفاده از حلال‌‌های آلی رایج و بر خلاف اکثر تحقیقات پیشین که بر روی خواص مغناطیسی هماتیت متمرکز بوده، به کنترل شکل ذرات هماتیت و سنتز این ذرات به شکل نانو‌‌صفحه جهت افزایش خواص رنگی این ماده در نور مرئی پرداخته شده است. نمونه‌‌ها در دمای 180 و 250 درجه سانتی‌‌گراد و pH برابر 5، 7 و 11 سنتز شدند. ترکیب فازی، شکل ذرات و خواص نوری ذرات حاصل با استفاده از روش‌ها‌‌ی XRD، SEM، FTIR و DRS مورد بررسی قرار گرفت. با افزایش pH، رنگ پودر هماتیت حاصل به دلیل کوچک‌‌تر شدن اندازه ذرات و در نتیجه جذب نور بیش‌‌‌‌تر تیره‌‌تر شد. تصاویر SEM مشخص کرد با افزایش pH تمایل به صفحه‌‌ای شدن ذرات هماتیت کاهش و با کاهش pH تمایل به صفحه‌‌‌ای شدن ذرات افزایش یافت. افزایش دما تمایل به پولکی شدن را کاهش داد و باعث کروی‌‌تر شدن شکل ذرات هماتیت شد و با کاهش اندازه ذرات، جذب نور بیشتر شده و رنگ ذرات تیره‌‌تر شد.

چکیده انگلیسی:

By controlling the synthesis conditions, hematite particles with different geometric shapes and different optical and magnetic properties can be obtained. In this study, due to its high potential for the synthesis of a wide range of particles with different shapes and sizes, the hydrothermal method was used for the synthesis of hematite. Iron (III) hexahydrate, ethanol, sodium acetate, and polyethylene glycol were used as raw materials. In this study, without using common organic solvents and in contrast with most previous researches that focused on the magnetic properties of hematite, Samples were synthesized at 180 and 250 °C and pHs 5, 7, and 11. The phase composition, particle shape, and optical properties of the particles were investigated by XRD, SEM, FTIR, and DRS methods. Hematite particles synthesized at the temperature of 180 °C at pHs 5, 7, and 11 had particle dimensions 293.47, 95.41, and 83.95 nm and at the temperature of 250 °C at pHs 5, 7, and 11 had particle dimensions 88.29, 73.79, and 59.33 nm respectively. As the pH increased, due to the smaller particle size and thus more light absorption, the color of the hematite powder darkened. By using XRD analysis and Scherer equation, it was found that the pH of the process did not affect the size of the unit cells, and the average size of the unit cells at both synthesis temperatures was 27.8 nm. However, the SEM images showed that by increasing pH the hematite particles became more spherical and smaller.

منابع و مأخذ:

6- مراجع

[1] K. Shaw, "Ceramic colours and pottery decoration", Maclaren And Sons, London, 1968.

 

[2] R. Cornell & U. Schwertmann, "The iron oxides: Structures, properties, reactions, occurrences, uses", VCH Verlagsgesellshaft GMBH, Weinheim, Germany, 1996.

 

[3] M. Ozaki, N. Ookoshi, E. Matijević, "Preparation and magnetic properties of uniform hematite platelets", J. Colloid Interface Sc, 137 [2], 1990.

 

[4] M. Tadic, L. Kopanja, M. Panjan, S. Kralj, J. Nlkodinovic-Runic & Z. Stojanovic "Synthesis of core-shell hematite (α-Fe₂O₃) nano plates: Quantitative analysis of the particle structure and shape, high coercivity and low cytotoxicity", Appl. Surf. Sci, vol. 403, no. 1, 2017.

 

[5] R. M. Cornell, U. Schwertmann, "The iron oxides: structure, properties, reactions, occurrences and uses", John Wiley & Sons, 2003.

 

[6] A. Kay, I. Cesar & M. Grätzel, "New benchmark for water photooxidation by nanostructured α-Fe₂O₃ films", J. Am. Ceram. Soc, vol. 128, no. 49, 2006.

 

[7] Q. Liu, Zh. Cui, Zh. Ma, Sh. Bian, W. Song  & L. Wan, "Morphology control of Fe₂O₃ nanocrystals and their application in catalysis", Nanotechnology, vol. 18, no. 38, 2007.

 

[8] Y. Zheng, Y. Cheng, Y. Wang, F. Bao, L. Zhou, X. Wei, Y .Zhang & Q. Zhengl., "Quasicubic α-Fe₂O₃ nanoparticles with excellent catalytic performance", J. Phys. Chem. B, vol. 110, no. 7, 2006.

 

[9] X. Hu, J. C. Yu, J. Gong, Q. Li & G. Li, "α‐Fe₂O₃ nanorings prepared by a microwave‐assisted hydrothermal process and their sensing properties", Adv. Mater, vol. 17, no. 19, 2007.

 

[10] M. V. Reddy, T. Yu, Ch. Sow, Z. Xiang Shen, Ch. Teck Lim, G.V. Subba Rao & B. V .R. Chowdari "α‐Fe₂O₃ nanoflakes as an anode material for Li‐ion batteries", Adv. Func. Mater, vol. 17, no. 15, 2007.

 

[11] Z. Zheng, L. Liao, B. Yan, J.X. Zhang, H. Gong, Z. Shen & T. Yu, "Enhanced field emission from argon plasma-treated ultra-sharp α-Fe₂O₃ nanoflakes", Nanoscale Res. lett, 4 [9], 2009.

 

[12] Sh. Cao, Y. Zhu, M. Ma & L. Li,"Hierarchically nanostructured α-Fe₂O₃ hollow spheres: preparation, growth mechanism, photocatalytic property, and application in water treatment", J. Phys. Chem. C, vol. 112, no. 16, 2008.

 

[13] Zh. Zheng, Y. Chen, Z. Shen & J. Ma, Ch. Sow, W. Huang & T. Yu, "Ultra-sharp α-Fe₂O₃ nanoflakes: growth mechanism and field-emission", Appl. Phys. A, vol. 89, no. 1, 2007.

 

[14] J. Wang, W. B. White & J. H. Adair, "Optical properties of hydrothermally synthesized hematite particulate pigments", J. Am. Ceram. Soc., vol. 88, no. 12, 2005.

 

[15] T. Sugimoto, Sh. Waki, Hiroyuki Itoh & Atsushi Muramatsu, "Preparation of monodisperse platelet-type hematite particles from a highly condensed β-FeOOH suspension", Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Asp, vol. 109, no. 20, 1996.

 

[16] H. Katsuki & S. Komarneni, "Microwave‐Hydrothermal Synthesis of Monodispersed Nanophase α‐Fe₂O₃", J. Am. Ceram. Soc., vol. 84, no, 10, 2001.

 

[17] L. Chen, X. Yang, J. Chen, J. Liu, H. Wu, H. Zhan, Ch. Liang & M. Wu, "Continuous hcshape-and spectroscopy-tuning of hematite nanocrystals", Inorg. Chem, vol. 49, no. 18, 2010.

 

[18] Q. Wang, Q. Chang, Y. Wang, X. Wang & J. Zhou, "Ultrafine CoAl₂O₄ ceramic pigment prepared by Pechini-sacrificial agent method", Mater. Lett, vol. 173, 2016.

 

[19] B. Ch. K. Ly, E. B. Dyer, J. L. Feig, A. L. Chien & S. Del Bino, "Research Techniques Made Simple: Cutaneous Colorimetry: A Reliable Technique for Objective Skin Color Measurement", J. Invest. Derm, vol. 140, 2020.

 

[20] M. Kerker, P. Scheiner, D. Cooke & J. Kratohvil, "Absorption index and color of colloidal hematite", J. Colloid Interface Sci, vol. 71, no. 1, 1979.

[21] N. P. Ryde & E. Matijević, "Color effects of uniform colloidal particles of different morphologies packed into films", Appl. Opt, vol. 33, no. 31, 1994.

 

[22] H. Katsuki & S. Komarneni, "Role of α‐Fe₂O₃ Morphology on the Color of Red Pigment for Porcelain", J. Am. Ceram. Soc, vol. 86, no. 1, 2003.

 

[23] L. A. Marusak, R. Messier & W. B. White, "Optical absorption spectrum of hematite, α-Fe₂O₃ near IR to UV", J. Phys. Chem. Solids, vol. 41, no. 9, 1980.

[24] X. Hu & J. C. Yu, "Continuous Aspect‐Ratio Tuning and Fine Shape Control of Monodisperse α‐Fe₂O₃ Nanocrystals by a Programmed Microwave- Hydrothermal Method", Adv. Func. Mater, vol. 18, no. 6, 2008.

 

[25] M. Beyhaghi, A. Kiani-Rashid, M. Kashefi, J. Vahdati Khaki & S. Jonsson, "Investigation of in-situ synthesis and consolidation of NiAl–Al₂O₃ composites by reactive spark plasma sintering process using mechanically activated reaction", International Journal of Material Science Innovations (IJMSI), vol. 2, no. 4, pp:100-116, 2014.

 

[26] A. Ledin, S. Karlsson & B. Allard, "Effects of pH, ionic strength and a fulvic acid on size distribution and surface charge of colloidal quartz and hematite", Applied Geochemistry, vol. 8, pp. 409-414, 1993.

 

[27] O. Opuchovic & A. Kareiva, "Historical hematite pigment:Synthesis by anaqueous sol-gel method, characterization and application for the colouration of ceramic glazes", Ceramics international, vol. 4, pp. 4504-4513, 2015.