КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 22-72-00060

НазваниеСинтез, структура и магнитные свойства наночастиц и нанокомпозитов карбидов и оксидов железа полученных в процессе разложения ферроцена при высоком давлении и температуре

РуководительСтарчиков Сергей Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаВысокое давление, Мёссбауэровская спектроскопия, наноструктуры типа ядро@оболочка, ферроцен, камеры с алмазными наковальнями, магнитные наночастицы, карбиды железа, оксиды железа, нанодиагностика, лазерный нагрев

Код ГРНТИ29.19.22


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Наночастицы и нанокомпозиты на основе карбидов железа и углерода обладают уникальными набором магнитных и химических свойств, открывающим возможности применения в таких областях как катализ, синтез Фишера-Тропша, в устройствах хранения данных, в качестве защитных покрытий от коррозии, в аккумуляторах, суперконденсаторах, биомедицинских применениях [1-6]. Высокие значения намагниченности, отсутствие цитотоксичности, легкость химической модификации углеродной поверхности, позволяющей осуществить химическое присоединение к наночастицам различных функциональных групп, по мнению ряда исследователей [7], обеспечивают нанокомпозитам типа ядро@оболочка на основе карбидов железа более высокий инновационный потенциал по сравнению с оксидами железа. Ранее было показано, что при давлении 8 ГПа и температурах до 1300°С продуктами разложения ферроцена являются нанокомпозиты типа ядро@оболочка на основе карбидов Fe7C3, Fe3C, оксидов железа Fe3O4/γ-Fe2O3, FeO и углерода [8, 9]. Карбиды железа образуют ядро нанокомпозита, а углерод и оксиды железа его оболочку. Изменение температуры реакции или времени изотермической выдержки ферроцена позволяет получать нанокомпозиты с размером от 10 до 250 нм и толщиной оболочки около 5-10 нм инкапсулированные в матрицу из аморфного углерода. Целью проекта является изучение структуры, фазового состава и магнитных свойств продуктов разложения ферроцена Fe(C5H5)2 под воздействием высокого давления до 30 ГПа и высоких температур (High Pressure High Temperature – HPHT). В ходе данного проекта планируется провести эксперименты по трансформации ферроцена при высоком давлении, но при более высоких температурах (до 5000K) достигаемых с помощью лазерного нагрева. Более высокие температуры могут позволить получить другие аллотропные модификации углерода (например, алмаз) и новые фазы карбидов железа. Ожидается, что новые продукты разложения ферроцена будут обладать не только выраженными магнитными, но и люминесцентными свойствами. Высокая биосовместимость нанокомпозитов типа ядро@оболочка на основе карбидов железа и углерода вместе с уникальными магнитными и оптическими свойствами позволяют использовать их в качестве систем адресной доставки лекарств, контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии (МРТ), гипертермии и других приложениях. Для выполнения целей проекта планируется использовать камеры высокого давления с алмазными наковальнями, установку, позволяющую осуществлять лазерный нагрев непосредственно в камере, рамановскую и мессбауэровскую спектроскопию, порошковую рентгеновскую дифракцию, просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию, элементный анализ, ДСК-ТГА, магнитометрию. Мессбауэровские и рамановские исследования могут проводиться insitu непосредственно в камере высокого давления без выемки образцов. В коллектив проекта будут входить аспиранты или студенты очной формы обучения. Полученные результаты будут доложены на международных научных конференциях и опубликованы в высокорейтинговых международных журналах индексируемых в базе данных «Сеть науки» (Web of Science), Scopus. [1] De Smit E., Swart I., Creemer J.F. et al. // Nature. 2008. V. 456. P. 222. [2] Blanchard J., Abatzoglou N. // Catal. Today. 2014. V. 237. P. 150. [3] Xu K., Sun B., Lin J. et al. // Nat. Commun. 2014. V. 5. P. 5783. [4] Tan Y., Zhu K., Li D. et al. // Chem. Eng. J. 2014.V. 258. P. 93. [5] Ujimine K., Tsutsumi A. // J. Power Sources. 2006.V. 160. P. 1431. [6] Yan M., Yao Y., Wen J. et al. // J. Alloys Compd. 2015.V. 641. P. 170. [7] Yu J., Chen F., Gao W. et al. // Nanoscale Horiz. 2017.V. 2. P. 81 [8] Baskakov A.O., Lyubutin I.S., Starchikov S.S., et al. // Inorg. Chem. 57, 23. 14895. (2018). [9] Starchikov S.S., Zayakhanov V.A., Vasiliev A.L., et al. // Carbon N. Y. 178. 708. (2021).

Ожидаемые результаты
Будут исследованы кристаллическая структура, фазовый состав и магнитные свойства продуктов разложения ферроцена при давлениях до 30 ГПа и высоких температурах до 5000K. Ожидается, что продуктами разложения ферроцена будут нанокомпозиты типа ядро@оболочка на основе карбидов, оксидов железа и углерода. Структура, состав и свойства продуктов разложения ферроцена будут изучены комплексом методов, включая рентгеновскую дифракцию, рамановскую и мессбауэровскую спектроскопии, электронную микроскопию. Это позволит сделать выводы о механизме разложения ферроцена в экстремальных условиях. Запланированные исследования соответствуют мировому уровню. Полученные результаты важны для практических применений полученных наноструктур и нанокомпозитов в различных областях биомедицины, тераностики, спинтроники, микро-, нано- и оптоэлектроники и будут доложены на международных научных конференциях и опубликованы в высокорейтинговых международных журналах индексируемых в базе данных «Сеть науки» (Web of Science), Scopus.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В соответствии с планом проекта в отчетном периоде проведена аттестация образцов, подготовлена камера высокого давления с алмазными наковальнями (КВДАН), выработан протокол проведения экспериментов по разложению ферроцена в условиях высокого давления и температур. Аттестация образцов показала соответствие заявленному составу для исходного ферроцена и оксида магния. Проведена серия экспериментов по разложению ферроцена в условиях высокого давления 8 ГПа и температур 1600-2000К. Нагрев образца проводился как правило в импульсном режиме общей длительностью от 1 мс до 20 с. Также проведен нагрев в непрерывном режиме длительностью 20с. Полученные образцы исследовались in situ под давлением в КВДАН методом мессбауэровской спектроскопии. После снятия нагрузки получившиеся образцы изучались с помощью порошковой рентгеновской дифракции, электронной микроскопии, спектроскопией комбинационного рассеяния света (КРС) и мессбауэровской спектроскопии. При атмосферном давлении в мессбауэровском спектре образца, подвергнутого нагреву в течение 1 мс, доминирует компонента, соответствующая Fe3+ в аморфном оксиде железа Fe2O3. Обнаружение оксида может быть связано с окислением не до конца сформировавшихся наночастиц карбида железа. Аморфный характер образца также подтверждается методом рентгеновской дифракции. Увеличение времени нагрева до 20 с приводит к развитию процессов кристаллизации наночастиц. Предварительные результаты исследования методом электронной микроскопии показали наличие наночастиц размером 10-20 нм инкапсулированных в углеродную матрицу при нагреве в течение 20 с. В мессбауэровских спектрах этого образца при 8 ГПа наблюдаются три магнитные компоненты с параметрами характерными для карбидов железа, в частности Fe3C. После снятии нагрузки и открытии КВДАН карбидные фазы сохраняются. Обнаружено, что железо (Fe3+, Fe2+) частично диффундирует в MgO, среду передающую давление, которая отделяет образец от наковален. Непрерывный режим лазерного нагрева ферроцена в схожих условиях также приводит к формированию карбидов железа. Предполагается, что во время непрерывного режима нагрева в течение 20 с несвязанные атомы водорода, образовавшиеся при разложении ферроцена, активно участвуют в химических превращениях при HPHT и способствуют восстановлению железа, диффундировавшего в MgO. В образце обнаружена фаза металлического железа (ок 2-3%). В дополнение к запланированным исследованиям изучены магнитные свойства нанокомпозитов типа ядро@оболочка на основе карбидов и оксидов железа, полученных при разложении ферроцена при 8 ГПа, 900 °С и различном времени изотермической выдержки от 10 до 3000 с. В образце, полученном при нагреве в течение 10 с, идет окисление продуктов разложения ферроцена на воздухе и образование нанокомпозитов из оксида железа, инкапсулированных в углеродную матрицу. При комнатной температуре нанокомпозит проявляет суперпарамагнитное поведение. Низкая намагниченность насыщения (2.2 emu/g) связана с высоким содержанием углерода и с кристаллической структурой наночастиц. Полученные наночастицы оксида железа имеют множество дефектов, небольшой размер и низкую степень кристалличности. В тоже время эксперименты по разложению ферроцена при 8 ГПа и более высоких температурах (1300-1700 °С) показывают, что при коротком времени нагрева 20 с можно получать наночастицы карбидов железа размером 10-20 нм, инкапсулированные в углеродные матрицы и стабильные на воздухе. Предполагается, что высокая температура позволяет сформировать более плотные углеродные оболочки, покрывающие наночастицы карбидов железа, которые защищают наночастицы от окисления.

 

Публикации

1. Старчиков С.С., Заяханов В.А., Любутин И.С., Васильев А.Л., Любутина М.В., Чумаков Н.К., Фунтов К.О., Куликова Л.Ф., Агафонов В.Н., Давыдов В.А. Evolution of the phase composition, crystal structure and magnetic properties of core@shell nanoparticles obtained during conversion of ferrocene at high pressure and high temperature Applied Surface Science, V. 615, p.156269 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.156269