سنتز و مشخصه‌یابی پودر کامپوزیتی SrFe12O19/SiO2/TiO2 با نانوساختار هسته/پوسته/پوسته

محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولید

فاطمه باورسی ها ¹ , مهدی منتظری پور ² , مسعود رجبی ³ , سمیرا غلامی ⁴ , نعیمه مظفری ⁵

1 - گروه مهندسی مواد و سرامیک، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
2 - دپارتمان مهندسی مواد و شیمی، مرکز آموزش عالی فنی و مهندسی بوئین زهرا، بوئین زهرا، ایران
3 - گروه مهندسی مواد و سرامیک، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
4 - گروه مهندسی مواد، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
5 - دانشکده مهندسی و علم کامپیوتر، دانشگاه ملی استرالیا، کانبرا، استرالیا

تاریخ دریافت : 1396/04/17 تاریخ پذیرش : 1397/09/27 تاریخ انتشار : 1397/09/01

کلید واژه: &quot, تیتانیا&quot, , "هگزا فریت استرانسیم", "کامپوزیت مغناطیسی", "نانوساختارهای هسته/پوسته/پوسته", "سیلیس",

چکیده مقاله :

در این تحقیق، پوشش‌‌دهی ذرات فوتوکاتالیستی تیتانیا بر روی کامپوزیت مغناطیسی SrFe12O19/SiO2 با موفقیت به روش سل- ژل انجام پذیرفت. بدین منظور، ابتدا ذرات هگزا فریت استرانسیم به عنوان هسته مغناطیسی سخت در این کامپوزیت، به روش هم‌رسوبی با استفاده از نسبت‌‌های مولی Fe3+/Sr2+، 11 و 12 و سپس انجام کلسیناسیون در دماهای مختلف تهیه گردید. دیده شد که ذرات تک‌فاز بلور هگزا فریت استرانسیم با بهره‌گیری از نسبت مولی Fe3+/Sr2+=12 و پس از کلسیناسیون در دمای 950 درجه سانتی‌‌گراد به دست می‌آیند. در مرحله بعدی، پوشش‌دهی سیلیس با استفاده از پیش ماده تترا اتیل اورتو سیلیکات (TEOS) و به روش استوبر انجام شد. در مرحله نهایی، پوشش‌‌دهی تیتانیا بر روی کامپوزیت SrFe12O19/SiO2 با استفاده از پیش‌ماده تیتانیم n-بوتوکساید (TNBT) حاصل گردید. کامپوزیت‌های تهیه شده با استفاده از الگوی پراش پرتو ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDX) و مغناطیس‌سنج ارتعاشی (VSM) مشخصه‌یابی شدند. نتایج، ساختار هسته/ پوسته/ پوسته کامپوزیت SrFe12O19/SiO2/TiO2 را تأیید نمود. آنالیز خواص مغناطیسی نشان داد که مغناطش اشباع (Ms) پودر هگزا فریت استرانسیم به صورت emu/g 58 به دست آمده است که بر اثر پوشش‌‌دهی پی‌‌در‌‌پی پوشش‌‌های SiO2 و TiO2 ، این مقدار به ترتیب به emu/g 56 و emu/g 37 رسید.

چکیده انگلیسی:

In this research study, the coating of titania particles on the SrFe12O19/SiO2 composite was successfully accomplished by the sol-gel process. For this purpose, first, the strontium hexaferrite particles were prepared by co-precipitation route with Fe3+/Sr2+ molar ratios of 11 and 12 and subsequent calcination treatment. The formation of single phase strontium hexaferrite particles, as hard magnetic cores of the composite, was attained in the molar ratio of Fe3+/Sr2+=12 after calcination at 950 °C. In the next step, the silica coating of hexaferrite particles was performed using the tetraethyl orthosilicate (TEOS) precursor via the Stöber method. In the end, the covering of titania particles on the SrFe12O19/SiO2 composite was carried out by utilizing titanium n-butoxide (TNBT) precursor. The as-prepared composites were characterized by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FESEM), transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive X-ray (EDX) and vibrating sample magnetometry (VSM) analyses. The results confirmed the core/shell/shell structure of the synthesized SrFe12O19/SiO2/TiO2 composite. The analysis of the magnetic properties showed that saturation magnetization (Ms) of strontium hexaferrite powder was obtained as 58 emu/g. After the successive coating of SiO2 and TiO2 shells, this amount has reached to 56 emu/g and 37 emu/g, respectively.

منابع و مأخذ:

 

[1]     G. Li, Z. Wang, M. Yu, Z. Quan & J. Lin, “Fabrication and optical properties of core–shell structured spherical SiO₂@GdVO₄: Eu³⁺ phosphors via sol–gel process”, Journal of Solid State Chemistry, Vol. 179, No. 8, pp. 2698-2706, 2006.

 

[2]     G. Liu, G. Hong & D. Sun, “Synthesis and characterization of SiO₂/Gd₂O₃ : Eu core–shell luminescent materials”, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 278, No. 1, pp. 133-138, 2004.

 

[3]       ن. لاری، ش. آهنگرانی و ع. شانقی، "بررسی رفتار نوری پوشش های چندلایه-کامپوزیت تیتانیا-سیلیکا اعمال شده با روش سل-ژل"، فصلنامه فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 9، شماره 4، 173-163، 1394.

 

[4]     S. Kalele, S. Gosavi, J. Urban & S. Kulkarni, “Nanoshell particles: synthesis, properties and applications”, Current science, pp. 1038-1052, 2006.

 

[5]     I. Okura & M. Kaneko, “Photocatalysis science and technologyˮ, Ed., Springer, Berlin, 2002.

 

[6]     V. Tizjang, M. Montazeri Pour, M. Rajabi, M. Kari & S. Moghadas, “Surface modification of sol–gel synthesized TiO₂ photo-catalysts for the production of core/shell structured TiO₂–SiO₂ nano-composites with reduced photo-catalytic activity”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 26, No. 5, pp. 3008-3019, 2015.

 

[7]     W. Bahnemann, M. Muneer & M. Haque, “Titanium dioxide-mediated photocatalysed degradation of few selected organic pollutants in aqueous suspensions”, Catalysis Today, Vol. 124, No. 3, pp. 133-148, 2007.

 

[8]     M. Kari, M. Montazeri Pour, M. Rajabi, V. Tizjang & S. Moghadas, “Maximum SiO₂ layer thickness by utilizing polyethylene glycol as the surfactant in synthesis of core/shell structured TiO₂–SiO₂ nano-composites”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, Vol. 25, No. 12, pp. 5560-5569, 2014.

 

[9]     M. Montazeri Pour, N. Riahi Noori & A. Mehdikhani, “Synthesis of single-phase anatase TiO₂ nanoparticles by hydrothermal treatment with application potential for photoanode electrodes of dye sensitized solar cells”, Journal of Ceramic Processing Research, Vol. 14, No. 5, pp. 595-600, 2013.

 

[10] N. Bouanimba, R. Zouaghi, N. Laid & T. Sehili, “Factors influencing the photocatalytic decolorization of Bromophenol blue in aqueous solution with different types of TiO₂ as photocatalysts”, Desalination, Vol. 275, No. 1, pp. 224-230, 2011.

 

[11] K W. Kim, S. H. You, S. S. Park, G. H. Kang, W. T. Bae & D. W. Shin, “Effect of experimental conditions on photocatalytic efficiency in TiO₂ powder slurry systems”, Journal of Ceramic Processing Research, Vol. 9, No. 5, pp. 530-537, 2008.

 

[12]    س. نقیبی، ا. جمشیدی، م. برزگر و س. رمضانی، "بررسی ریزساختاری لایه نازک تیتانیا بر روی فولاد 316 به روش سل‌ژل (بهینه‌سازی متغیرهای فرآیند با روش آماری تاگوچی)"، فصلنامه فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 6، شماره 4، 89-79، 1391.

 

[13] J. Byrne, B. Eggins, N. Brown, B. McKinney & M. Rouse, “Immobilisation of TiO₂ powder for the treatment of polluted water”, Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 17, No. 1, pp. 25-36, 1998.

 

[14] X. Chen, C. Li, J. Wang, J. Li, X. Luan, Y. Li, R. Xu & B. Wang, “Investigation on solar photocatalytic activity of TiO₂ loaded composite: TiO₂/eggshell, TiO₂/clamshell and TiO₂/CaCO₃”, Materials Letters, Vol. 64, No. 13, pp. 1437-1440, 2010.

 

[15] A. Haarstrick, O. M. Kut & E. Heinzle, “TiO₂-assisted degradation of environmentally relevant organic compounds in wastewater using a novel fluidized bed photoreactor”, Environmental science & technology, Vol. 30, No. 3, pp. 817-824, 1996.

 

[16] X. Shihong, W. Shangguan, Y. Jian, C. Mingxia & S. Jianwei, “Preparation and Photocatalytic Properties of Magnetically Separable TiO₂ Supported on Nickel Ferrite** Supported by Shanghai Nano Technology Special Program (No. 0452nm017)”, Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 190-195, 2007.

 

[17] Z. Wang, L. Shen & S. Zhu, “Synthesis of core-shell Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂ microspheres and their application as recyclable photocatalysts”, International Journal of Photoenergy, Vol. 2012, 2012.

 

[18] D. Beydoun, R. Amal, G. Low & S. McEvoy, “Occurrence and prevention of photodissolution at the phase junction of magnetite and titanium dioxide”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol. 180, No. 1, pp. 193-200, 2002.

 

[19] 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, Vol. 175, No. 1, pp. 293-298, 2011.

 

[20] Q. Yu, C. Zhou & X. Wang, “Influence of plasma spraying parameter on microstructure and photocatalytic properties of nanostructured TiO₂–Fe₃O₄ coating”, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol. 283, No. 1, pp. 23-28, 2008.

 

[21] D. Beydoun, R. Amal, G. K. C. Low & S. McEvoy, “Novel photocatalyst: titania-coated magnetite. Activity and photodissolution”, The Journal of Physical Chemistry, Vol. 104B, No. 18, pp. 4387-4396, 2000.

 

[22] S. Watson, D. Beydoun & R. Amal, “Synthesis of a novel magnetic photocatalyst by direct deposition of nanosized TiO₂ crystals onto a magnetic core”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Vol. 148, No. 1, pp. 303-313, 2002.

 

[23] D. H. Everett, “Basic principles of colloid scienceˮ, Royal Society of Chemistry, 1988.

 

[24] M. Radwan, M. Rashad & M. Hessien, “Synthesis and characterization of barium hexaferrite nanoparticles”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 181, No. 1, pp. 106-109, 2007.

 

[25] M. Hessien, M. Radwan & M. Rashad, “Enhancement of magnetic properties for the barium hexaferrite prepared through ceramic route”, Journal of analytical and applied pyrolysis, Vol. 78, No. 2, pp. 282-287, 2007.

 

[26] H. F. Yu 7 K. C. Huang, “Effects of pH and citric acid contents on characteristics of ester-derived BaFe₁₂O₁₉ powder”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 260, No. 3, pp. 455-461, 2003.

 

[27] S. Kulkarni, J. Shrotri, C. Deshpande & S. Date, “Synthesis of chemically coprecipitated hexagonal strontium-ferrite and its characterization”, Journal of Materials Science, Vol. 24, No. 10, pp. 3739-3744, 1989.

 

[28] M. Montazeri Pour & A. Ataie, “Synthesis of nanocrystalline barium ferrite in ethanol/water media”, Journal of Materials Science & Technology, Vol. 25, No. 4, pp. 465-469, 2009.

 

[29] D. L. Green, J. S. Lin, Y. F. Lam, M. Z. C. Hu, D. W. Schaefer & M. T. Harris, “Size, volume fraction, and nucleation of Stober silica nanoparticles”, Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 266, No. 2, pp. 346-358, 2003.

 

[30] W. Fu, H. Yang, Q. Yu, J. Xu, X. Pang & G. Zou, “Preparation and magnetic properties of SrFe₁₂O₁₉/SiO₂ nanocomposites with core–shell structure”, Materials Letters, Vol. 61, No. 11, pp. 2187-2190, 2007.

 

[31] A. Ataie & M. Montazeri Pour, “Formation mechanism of BaFe₁₂O₁₉ nanoparticles processed via wet chemical route using mixed solvent”, International Journal of Nanoscience, Vol. 10, No. 4&5, pp. 1083-1086, 2011.

 

[32] A. Drmota, M. Drofenik & A. Žnidaršič, “Synthesis and characterization of nano-crystalline strontium hexaferrite using the co-precipitation and microemulsion methods with nitrate precursors”, Ceramics International, Vol. 38, No. 2, pp. 973-979, 2012.

 

[33] M. Ganjali, M. Ganjali, A. Eskandari & M. Aminzare, “Effect of heat treatment on structural and magnetic properties of nanocrystalline SrFe₁₂O₁₉ hexaferrite synthesized by Co-precipitation method”, Journal of Advanced Materials and Processing, Vol. 1, No. 4, pp. 41-48, 2013.

 

[34] Y. Chi, Q. Yuan, Y. Li, L. Zhao, N. Li, X. Li & W. Yan, “Magnetically separable Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂-Ag microspheres with well-designed nanostructure and enhanced photocatalytic activity”, Journal of hazardous materials, Vol. 262, pp. 404-411, 2013.

 

[35] 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 TiO 2 shell”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 402, pp. 60-65, 2012.

 

[36] 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 and Engineering Chemistry, Vol. 11, No. 4, pp. 609-614, 2005.

 

[37] S. C. Pang, S. Y. Kho & S. F. Chin, “Fabrication of Magnetite/Silica/Titania Core-Shell Nanoparticles”, Journal of Nanomaterials, Vol. 2012, pp. 6, 2012.

 

[38] X. Huang, G. Wang, M. Yang, W. Guo & H. Gao, “Synthesis of polyaniline-modified Fe₃O₄/SiO₂/TiO₂ composite microspheres and their photocatalytic application”, Materials Letters, Vol. 65, No. 19, pp. 2887-2890, 2011.