ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ РЕАГЕНТОВ НА СИНТЕЗ Li-Sm ФЕРРИТА

  • Elena N. Lysenko Национальный исследовательский Томский политехнический университет http://orcid.org/0000-0002-5093-2207
  • Anatoliy P. Surzhikov Национальный исследовательский Томский политехнический университет
  • Vitaliy A. Vlasov Национальный исследовательский Томский политехнический университет
  • Evgeniy V. Nikolaev Национальный исследовательский Томский политехнический университет
  • Yuliya S. Minina Национальный исследовательский Томский политехнический университет
  • Elena A. Sheveleva Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Ключевые слова: литий-самариевый феррит, редкоземельный элемент, Sm2O3, механическая активация, синтез, термический анализ

Аннотация

Методами рентгенофазового анализа, термогравиметрии и дифференциально-сканирующей калориметрии проведены исследования влияния энергонапряженности механического измельчения смеси порошковых реагентов Sm2O3 (14,7вес.%)/Fe2O3 (77,5вес.%)/Li2CO2 (7,8вес.%) на процесс синтеза Li-Sm феррита. В работе использовалась шаровая мельница Retsch E-max, обеспечивающая разную энергонапряженность механического измельчения путем варьирования скорости вращения стаканов 300, 1000, 1500 об/мин. Реакцию взаимодействия между исходными реагентами изучали путем нагрева порошковой смеси на воздухе до 900 °С в печи термического анализатора Netzsch STA 449C Jupiter. Полный цикл синтеза феррита, включающий изотермическую выдержку при высокой температуре, был проведен в лабораторной печи при температуре 900 °С в течение 240 мин. Установлено, что с увеличением энергонапряженности измельчения порошков температурный интервал взаимодействия между Sm2O3/Fe2O3/Li2CO3 сдвигается на 200 °С в область меньших температур, что указывает на увеличение реакционной способности порошковых реагентов. При этом в процессе синтеза образуется двухфазный композиционный материал, состоящий из незамещенного литиевого феррита α-Li0,5Fe2,5O4 (81,0-81,8 вес.%) и SmFeO3 (18,2-19 вес.%). Концентрационное соотношение синтезированных фаз в пределах экспериментальной ошибки не зависит от энергонапряженности измельчения исходных реагентов. Синтезирование незамещенного литиевого феррита было подтверждено данными рентгенофазового анализа (параметр решетки ~0,833 нм), наличием эндотермического пика на дифференциально-термической кривой, соответствующего переходу α-Li0,5Fe2,5O4 → β-Li0,5Fe2,5O4, а также значением температуры Кюри (~630 °C), полученным методом термогравиметрии в магнитном поле. Полученный результат может быть полезен при разработке технологии получения новых композиций ферритов с редкоземельными элементами, обладающих уникальными свойствами.

Для цитирования:

Лысенко Е.Н., Суржиков А.П., Власов В.А., Николаев Е.В., Минина Ю.С., Шевелева Е.А. Влияние механической активации реагентов на синтез Li-Sm феррита. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 3. С. 63-72. DOI: 10.6060/ivkkt.20246703.6931.

Биографии авторов

Elena N. Lysenko, Национальный исследовательский Томский политехнический университет

заведующий Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники диэлектриков и полупроводников

Anatoliy P. Surzhikov, Национальный исследовательский Томский политехнический университет

главный научный сотрудник, Проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов

Vitaliy A. Vlasov, Национальный исследовательский Томский политехнический университет

старший научный сотрудник, Проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов

Evgeniy V. Nikolaev, Национальный исследовательский Томский политехнический университет

научный сотрудник, Проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов

Yuliya S. Minina, Национальный исследовательский Томский политехнический университет

инженер, Проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов

Elena A. Sheveleva, Национальный исследовательский Томский политехнический университет

доцент, Отделение контроля и диагностики, Инженерная школа неразрушающего контроля и безопасности

Литература

Grigoryeva I.O., Dresvyannikov A.F. Electrochemical synthesis of dispersed barium ferrite using anodic disso-lution of metal. ChemChemTech [Izv.Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 4. P. 59-66 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216404.6315.

Shabelskaya N., Sulima S., Sulima E., Vlasenko A. Study of the features of the synthesis of nanosized zinc ferrite. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 1. P. 39-42 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.20165901.5223.

Mazen S.A., Abu-Elsaad N.I. Structural, magnetic and electrical properties of the lithium ferrite obtained by ball milling and heat treatment. Appl. Nanosci. 2015. V. 5. P. 105-114. DOI: 10.1007/s13204-014-0297-2.

Ahmad M., Shahid M., Alanazi Y.M., Rehman A.U., Asif M., Dunnill C.W. Lithium ferrite (Li0.5Fe2.5O4): synthesis, structural, morphological and magnetic evalua-tion for storage devices. J. Mater. Res. Technol. 2022. V. 18. P. 3386-3395. DOI: 10.1016/j.jmrt.2022.03.113.

Granados-Miralles C., Serrano A., Prieto P., Guzmán-Mínguez J., Prieto J.E., Friedel A.M., García-Martín E., Fernández J.F., Quesada A. Quantifying Li-content for compositional tailoring of lithium ferrite ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. P. 3351-3359. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2023.02.011.

Teixeira S.S., Graça M.P.F., Costa L.C. Dielectric, morphological and structural properties of lithium ferrite powders prepared by solid state method. J. Non-Cryst. Solids. 2012. V. 358. P. 1924-1929. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2012.06.003.

Isaev I.M., Kostishin V.G., Shakirzyanov R.I., Kayumova A.R., Salogub D.V. Electromagnetic properties of polymer composites Li0.33Fe2.29Zn0.21Mn0.17O4/P(VDF-TFE) in the frequency range 100 MHz - 7000 MHz. Fizika Tehhnika Poluprovodnikov. 2022. V. 56. N 1. P. 114-119 (in Rus-sian). DOI: 10.21883/FTP.2022.01.51821.9728.

Isaev I.M., Kostishin V.G., Korovushkin V.V., Shipko M.N., Timofeev A.V., Mironovich A.Yu., Salogub D.V., Shakirzyanov R.I. Crystal chemistry and magnetic properties of polycrystalline spinel ferrites Li0.33Fi2.29Zn0.21Mn0.17O4. Zhurn. Neorgan. Khim. 2021. V. 66. N 12. P. 1792-1800 (in Russian). DOI: 10.31857/S0044457X21120059.

Isaev I.M., Kostishin V.G., Korovushkin V.V., Salogub D.V., Shakirzyanov R.I., Timofeev A.V., Mironovich A.Yu. Magnetic and radio absorbing properties of poly-crystalline ferrite-spinel Li0.33Fe2.29Zn0.21Mn0.17O4. Zhurn. Tekhn. Fiziki. 2021. V. 91. N 9. P. 1376-1380 (in Rus-sian). DOI: 10.21883/JTF.2021.09.51217.74-21.

AsifIqbal M., Islam M.U., Ali I., Khan M.A., Sadiq I., Ali I. High frequency dielectric properties of Eu+3-substituted Li–Mg ferrites synthesized by sol–gel auto-combustion method. J. Alloys Compd. 2014. V. 586. P. 404-410. DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.10.066.

Zhong X.C., Guo X.J., Zou S.Y., Yu H.Y., Liu Z.W., Zhang Y.F., Wang K.X. Improving soft magnetic proper-ties of Mn-Zn ferrite by rare earth ions doping. AIP Adv. 2018. V. 8. 047807. DOI: 10.1063/1.4993645.

Nikumbh A.K., Pawar R.A., Nighot D.V., Gugale G.S., Sangale M.D., Khanvilkar M.B., Nagawade A.V. Struc-tural, electrical, magnetic and dielectric properties of rare-earth substituted cobalt ferrites nanoparticles synthesized by the co-precipitation method. Magn. Magn. Mater. 2014. V. 355. P. 201–209. DOI: 10.1016/j.jmmm.2013.11.052.

Li L., Jiang J., Xu F. Synthesis and ferrimagnetic properties of novel Smsubstituted LiNi ferrite-polyaniline nanocomposite. Mater. Lett. 2007. V. 61. P. 1091-1096. DOI: 10.1016/ j.matlet.2006.06.061.

Abdel Maksoud M.I.A., El-Ghandour A., Ashour A.H., Atta M.M., Abdelhaleem S., El-Hanbaly A.H., Fahim R.A., Kassem S.M., Shalaby M.S., Awed A.S. La3+ doped LiCo0.25Zn0.25Fe2O4 spinel ferrite nanocrystals: Insights on structural, optical and magnetic properties. J. Rare Earths. 2021. V. 39. P. 75-82. DOI: 10.1016/j.jre.2019.12.017.

Mahmoudi M., Kavanlouei M., Maleki-Ghaleh H. Effect of composition on structural and magnetic properties of nanocrystalline ferrite Li0.5SmxFe2.5-xO4. Powder Metall. Met. Ceram. 2015. V. 54(1-2) P. 31-39. DOI: 10.1007/ s11106-015-9676-9.

Inbanathan S.S.R., Vaithyanathan V., Arout Chelvane J., Markandeyulu G., Kamala Bharathi K. Mössbauer studies and enhanced electrical properties of R (R=Sm, Gd and Dy) doped Ni ferrite. Magn. Magn. Mater. 2014. V. 353. P. 41-46. DOI: 10.1016/j.jmmm.2013.10.019.

Gajula G.R., Buddiga L.R. Structural, ferroelectric, dielectric, impedance and magnetic properties of Gd and Nb doped barium titanate-lithium ferrite solid solutions. Magn. Magn. Mater. 2020. V. 494. 165822. DOI: 10.1016/j.jmmm.2019.165822.

Ashour A.H., Hemeda O.M., Heiba Z.K., Al-Zahrani S.M. Electrical and thermal behavior of PS/ferrite compo-site. Magn. Magn. Mater. 2014. V. 369. P. 260-267. DOI: 10.1016/ j.jmmm.2014.06.005.

Abdellatif M.H., El-Komy G.M., Azab A.A. Magnetic characterization of rare earth doped spinel ferrite. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 442. P. 445-452. DOI: 10.1016/ j.jmmm.2017.07.020.

Bulai G., Diamandescu L., Dumitru I., Gurlui S., Feder M., Caltun O.F. Effect of rare earth substitution in cobalt ferrite bulk materials. Magn. Magn. Mater. 2015. V. 390. P. 123-131. DOI: 10.1016/j.jmmm.2015.04.089.

Rady K.E., Shams M.S. Study the effect of Gd3+ incorporation into nanocrystalline (Ni–Ti) substituted Mn–Zn ferrites on its structure and functional properties. Magn. Magn. Mater. 2017. V. 426. P. 615-620. DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.10.160.

Lysenko E.N., Vlasov V.A., Nikolaeva S.A., Nikolaev E.V. TG, DSC, XRD, and SEM studies of the substituted lithium ferrite formation from milled Sm2O3/Fe2O3/Li2CO3 precursors. J. Therm. Anal. Calorim. 2023. V. 148. P. 1445-1453. DOI: 10.1007/s10973-022-11665-1.

Rogachev A. Mechanical activation of heterogeneous exothermic reactions in powder mixtures. Usp. Khim. 2019. V. 88. N 9. P. 875 (in Russian). DOI: 10.1070/RCR4884.

Streletskii A.N., Vorob`eva G.A., Kolbanev I.V., Leonov A.V., Kirilenko V.G., Grishin L.I., Dolgoborodov A.Yu. Mechanochemistry of Bi2O3. 2. Mechanical activa-tion and thermal reactions in a high-energy Al+Bi2O3 sys-tem. Colloid J. 2019. V. 81. P. 575-582. DOI: 10.1134/S1061933X19050156.

Sarkar K., Mondal R., Dey S., Majumder S., Kumar S. Presence of mixed magnetic phase in mechanically milled Co0.5Zn0.5Fe2O4: A study on structural, magnetic and hyperfine properties. Magn. Magn. Mater. 2019. V. 487. 165303. DOI: 10.1016/j.jmmm.2019.165303.

Nili-Ahmadababdi M., Sarraf-Mamoory R., Yourdkhani A., Diaconu A., Rotaru A. Magnetic and electrical properties of Mg1−xCoxFe2O4 (x = 0-0.15) ceramics pre-pared by the solid-state method. J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 42. P. 442-447. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.046.

Lysenko E.N., Nikolaev E.V., Surzhikov A.P., Nikolaeva S.A., Plotnikova I.V. The influence of reagents ball milling on the lithium ferrite formation. J. Therm. Anal. Calorim. 2019. V. 138. P. 2005-2013. DOI: 10.1007/s10973-019-08334-1.

Lysenko E.N., Surzhikov A.P., Vlasov V.A., Malyshev A.V., Nikolaev E.V. Thermal analysis study of solid-phase synthesis of zinc- and titanium-substituted lithium ferrites from mechanically activated reagents. J. Therm. Anal. Calorim. 2015. V. 122. P. 1347-1353. DOI: 10.1007/s10973-015-4849-9.

Kessler M., Rinaldi R. Kinetic Energy Dose as a Unified Metric for Comparing Ball Mills in the Mechanocatalytic Depolymerization of Lignocellulose. Front. Chem. 2022. V. 9. 816553. DOI: 10.3389/fchem.2021.816553.

Kessler M., Woodward R.T., Wong N., Rinaldi R. Kinematic Modeling of Mechanocatalytic Depolymerization of α-Cellulose and Beechwood. Chem. Sus. Chem. 2018. V. 11. P. 552 – 561. DOI: 10.1002/cssc.201702060.

Lysenko E.N., Surzhikov A.P., Astafyev A.L. Thermo-magnetometric analysis of lithium ferrites. J. Therm. Anal. Colorim. 2019. V. 136. P. 441-445. DOI: 10.1007/s10973-018-7678-9.

Yousefi T., Mostaedi M.T., Ghasemi M., Ghadirifar A. A Simple Way to Synthesize of Samarium Oxide Nano-particles: Characterization and Effect of pH on Morphology. Synth. React. Inorg. Met.-Org. Nano-Met. Chem. 2016. V. 46. P. 137-142. DOI: 10.1080/15533174.2014.900795.

Lysenko E.N., Nikolaev E.V., Vasendina E.A. Investigation of heating rate effect on solid-phase interaction in Li2CO3-Fe2O3 reaction mixture. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2015. V. 81. 012104. DOI: 10.1088/1757-899X/81/ 1/012104.

Lysenko E.N., Malyshev A.V., Vlasov V.A., Nikolaev E.V., Surzhikov A.P. Microstructure and thermal analysis of lithium ferrite premilled in a high-energy ball mill. J. Therm. Anal. Calorim. 2018. V. 134. P. 127-133. DOI: 10.10 07/s10973-018-7549-4.

Levin B.E., Tretyakov Yu.D., Letyuk L.M. Physical and chemical bases of obtaining, properties and application of ferrites. M.: Metallurgiya. 1979. 471 p. (in Russian).

Teixeira Soreto S., Graça M.P.F., Costa L.C., Valente M.A. Study of the influence of thermal treatment on the magnetic properties of lithium ferrite prepared by wet ball-milling using nitrates as raw material. Mater. Sci. Eng. B. 2014. V. 186. P. 83–88. DOI: 10.1016/j.mseb.2014.03.008.

Verma V., Pandey V., Singh S., Aloysius R.P., Anna-poorni S., Kotanala R.K. Comparative study of structur-al and magnetic properties of nano-crystalline Li0.5Fe2.5O4 prepared by various methods. Physica B. 2009. V. 404. P. 2309-2314. DOI: 10.1016/j.physb.2009.04.034.

Ahniyaz A., Fujiwara T., Song S.-W., Yoshimura M. Low temperature preparation of α-LiFe5O8 fine particles by hydrothermal ball milling. Solid State Ionics. 2002. V. 151. P. 419-423. DOI: 10.1016/S0167-2738(02)00548-9.

Опубликован
2024-01-27
Как цитировать
Lysenko, E. N., Surzhikov, A. P., Vlasov, V. A., Nikolaev, E. V., Minina, Y. S., & Sheveleva, E. A. (2024). ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ РЕАГЕНТОВ НА СИНТЕЗ Li-Sm ФЕРРИТА. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 67(3), 63-72. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20246703.6931
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы