НАНОКОМПОЗИТЫ НА ОСНОВЕ МАТРИЦ ИЗ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕЙ, НАПОЛНЕННЫХ ЧАСТИЦАМИ НАНОСПЛАВОВ ЖЕЛЕЗО-ПЛАТИНА
Аннотация
В работе комплексом методов рентгенофазового, рентгеноструктурного и элементного анализа установлено, что при синтезе частиц наносплавов Fe-Pt совместным восстановлением металлов из растворов прекурсоров щелочным раствором гидразин-гидрата происходит формирование наночастиц Fe-Pt со структурой ГЦК твердого раствора с содержанием железа примерно 21 ат.%, размер около 6 нм. Методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения показано, что в образцах дополнительно формируются и частицы меньшего размера (2–4 нм) с большим содержанием железа. При нагревании в вакууме до 800 °С методом рентгеновской дифракции in-situ обнаружены последовательно протекающие фазовые трансформации исходного образца, приводящие к формированию упорядоченной фазы интерметаллида FePt со структурой L10, степень структурной упорядоченности составляет 0,90±0,01. Принимая во внимание установленные в работе структурно-фазовые особенности наносплавов Fe-Pt, были получены наноструктурированные композиты Fe-Pt/C. В качестве углеродной матрицы (углеродного носителя) использовали карбонизаты ископаемых углей различной степени метаморфизма (антрацит, сапропелитовый уголь). Совместно методами низкотемпературной сорбции азота и малоуглового рентгеновского рассеяния было показано, что при получении композитов Fe-Pt/C на антрацитовом карбонизате частицы наносплава Fe-Pt преимущественно локализуются на поверхности углеродного носителя, а на матрице из сапропелитового угля частицы наполнителя преимущественно декорируют мезопоры углеродного носителя. Методом циклической вольтамперометрии установлено, что при формировании электродных материалов суперконденсаторов на основе выбранных углеродных матриц наблюдается увеличение емкости относительно емкости исходных углеродных матриц в 2,65 и 3,12 раза для композитов Fe-Pt/C на основе матриц, полученных из антрацита и сапропелита, соответственно.
Для цитирования:
Попова А.Н., Сименюк Г.Ю., Захаров Н.С., Пугачев В.М., Додонов В.Г., Зыков И.Ю. Нанокомпозиты на основе матриц из ископаемых углей, наполненных частицами наносплавов железо-платина. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 9. С. 35-42. DOI: 10.6060/ivkkt.20256809.6y.
Литература
Calvo F. Nanoalloys: from fundamentals to emergent applications. Elsevier. 2020. 416 p. DOI: 10.1016/C2011-0-06111-2.
Eone J.R., Ottou Abe M.T., Ndjaka J.M.B. Magnetic properties and size effects of Fe, Co, Ni nanoparticles and FePt, CoPt, NiPt nanoalloys. Chem. Phys. Lett. 2024. V. 852. P. 141497. DOI: 10.1016/j.cplett.2024.141497.
Zhou Qu., Song M., Tian Yu., Min M., Cui Sh., He X., Xiong Ch. PtCo nanoalloy embedded nitrogen-doped car-bon nanotube for rechargeable Zn-air batteries. J. Colloid Interface Sci. 2025. V. 677 (B). P. 59-67. DOI: 10.1016/j.jcis.2024.08.045.
Chen G., Zhang J., Chen W., Lu R., Ma Ch., Wang Z., Han Yu. Designing the framework structure of noble-metal based nanoalloy catalysts driving redox electrocatalysis. Chem. Sci. 2024. V. 15. N 31. P. 12550-12558. DOI: 10.1039/d4sc03142c.
Tiwari Kh., Devi M. M., Biswas K., Chattopadhyay K. Phase transformation behavior in nanoalloys. Progr. Ma-ter. Sci. 2021. V. 121. P. 100794. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2021.100794.
Gorlova A., Zadesenets A., Filatov E., Simonov P., Korenev S., Stonkus O., Sobyanin V., Snytnikov P., Potemkin D. Pt-Fe nanoalloy: Structure evolution study and catalytic properties in water gas shift reaction. Mater. Res. Bull. 2022. V. 149. P. 111727. DOI: 10.1016/j.materresbull.2022.111727.
Campos-Roldán C.A., Calvillo L., Granozzi G., Alonso-Vante N. Alkaline hydrogen electrode and oxygen reduc-tion reaction on PtxNi nanoalloys. J. Electroanalyt. Chem. 2020. V. 857. P. 113449. DOI: 10.1016/j.jelechem.2019.113449.
Oumellal Ya., Ghimbeu C. M., Martínez de Yuso A., Zlotea Cl. Hydrogen absorption properties of carbon sup-ported Pd–Ni nanoalloys. Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42. N 2. P. 1004-1011. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.09.101.
Da Silva C. M., Girard A., Dufond M., Fossard Fr., Andrieux-Ledier A., Huc V., Loiseau A. Nickel platinum (NixPt1−x) nanoalloy monodisperse particles without the core–shell structure by colloidal synthesis. Nanoscale Adv. 2020. V. 2. N 9. P. 3882-3889. DOI: 10.1039/d0na00450b.
Gorbachev E.A., Kozlyakova E.S., Trusov L.A., Sleptsova A.E., Zykin M.A., Kazin P.E. Design of modern magnetic materials with giant coercivity. Russ. Chem. Rev. 2021. V. 90. P. 1287–1329. DOI: 10.1070/RCR4989.
Skomski R., Sellmyer D.J. Anisotropy of rare-earth magnets. J. Rare Earths. 2009. V. 27. P. 675–679. DOI: 10.1016/S1002-0721(08)60314-2.
Kuz'min M.D., Tishin A.M. Chapter three theory of crystal-field effects in 3d-4f intermetallic compounds. Handb. Magn. Mater. 2007. V. 17. P. 149–233. DOI: 10.1016/ S1567-2719(07)17003-7.
Vishina A., Vekilova, O. Y., Björkman T., Bergman A., Herper H. C., Eriksson O. High-throughput and data-mining approach to predict new rare-earth free permanent magnets. Phys. Rev. B. 2020. V. 101. P. 094407. DOI: 10.1103/PhysRevB.101.094407.
Chrobak A. High and ultra-high coercive materials in springexchange systems—Review, simulations and per-spective. Mater. 2022. V. 15. P. 6506. DOI: 10.3390/ma15196506.
Marciniak J., Werwiński M. L10 FePt thin films with tilted and inplane magnetic anisotropy: A first-principles study. Phys. Rev. B. 2023. V. 108. P. 214406. DOI: 10.1103/PhysRevB.108.214406.
Crisan O., Dan I., Palade P., Crisan A. D., Leca A., Pantelica A. Magnetic phase coexistence and hard–soft ex-change coupling in FePt nanocomposite magnets. Nanomater. 2020. V. 10. P. 1618. DOI: 10.3390/nano10081618.
Choi D., Jang I., Lee T., Kang Y.S., Yoo S.J. Low-toxicity FePt nanoparticles for the targeted and enhanced diagnosis of breast tumors using few centimeters deep whole-body photoacoustic imaging. Photoacoustics. 2020. V. 19. P. 100179. DOI: 10.1016/j.pacs.2020.100179.
Hu Z., Wei, Q. Zhang H., Tang W., Kou Y., Sun Y., Zheng D., Zheng X. Advances in FePt-involved nano-system design and application for bioeffect and biosafety. J. Mater. Chem. B. 2022. V. 10. N 3. P. 339–357. DOI: 10.1039/D1TB02221K.
Aledealat K., Aladerah B., Obeidat A., Gharaibeh M. Firstprinciples study of electronic structure and magnetic properties of L10-ordered FeNi, FePd, and FePt alloys. Heliyon. 2021. V. 7. N 12. DOI: 10.1016/j.heliyon.2021.e08639.
Son K., Ryu G., Jeong H. H., Fink L., Merz M., Nagel P., Schuppler S., Richter G., Goering E., Schütz G. Su-perior magnetic performance in FePt L10 nanomaterials. Small. 2019. V. 15. N 34. P. 1902353. DOI: 10.1002/smll.201902353.
Wen Z., Wang Y., Zhao W., Jiang M., Li H., Ren Y., Qin G. Effects of Ni addition on the order–disorder transi-tions of Fe–Pt intermetallic compounds: An experimental study on Fe–Ni–Pt phase diagrams. JMST. 2024. V. 182. P. 54–66. DOI: 10.1016/j.jmst.2023.10.015.
Yoo T.Y., Yoo J.M., Sinha A.K., Bootharaju M.S., Jung E., Lee H.S., Lee B.H., Kim J., Wytse H.A., Yong M.K., Lee J., Lee E., Lee D.W., Cho S.P., Yoo S.J., Sung Y.E., Hyeon T. Direct synthesis of intermetallic platinum–alloy nanoparticles highly loaded on carbon supports for efficient electrocatalysis. JACS. 2020. V. 142. N 33. P. 14190–14200. DOI: 10.1021/jacs.0c05140.
Wang Y., Chen M.T., Ye X., Wang A.J., Tu G.M., Zhang L., Feng J.J. In situ confined pyrolysis preparation of graphene-wrapped FePt nanoparticles anchored on N-doped hierarchically porous graphitic carbon nanoflakes for boosting oxygen reduction reaction. Appl. Surf. Sci. 2022. V. 604. P. 154475. DOI: 10.1016/j.apsusc.2022.154475.
Choi D., Jang I., Lee T., Kang Y.S., Yoo S.J. Overcoming poisoning issues in hydrogen fuel cells with face-centered tetragonal FePt bimetallic catalysts. JMST. 2025. V. 207. P. 308–316. DOI: 10.1016/j.jmst.2024.04.036.
Tozman P., Isogami S., Suzuki I., Bolyachkin A., Sepehri-Amin H., Greaves S.J., Suto H., Sasaki Y., Chang T.Y., Kubota Y., Steiner P., Huang P.W., Hono K., Takahashi Y.K. Dual-layer FePt-C granular media for multi-level heat-assisted magnetic recording. Acta Mater. 2024. V. 271. P. 119869. DOI: 10.1016/j.actamat.2024.119869.
Zhao D., Wang X., Chang L., Pei W., Wu C., Wang F., Zhang L., Wang J., Wang Q. Synthesis of super-fine L10-FePt nanoparticles with high ordering degree by two-step sintering under high magnetic field. JMST. 2021. V. 73. P. 178–185. DOI: 10.1016/j.jmst.2020.09.026.
Pugachev V.M., Zakharov Y.A., Popova A.N., Russakov D.M., Zakharov N.S. Phase transformations of the nanostructured ironplatinum system upon heating. J. Phys. Conf. Ser. 2021. V. 1749. N 1. P. 012036. DOI: 10.1088/1742-6596/1749/1/012036.
Zakharov Y.A., Popova A.N., Pugachev V.M., Zakharov N.S., Tikhonova I.N., Russakov D.M., Dodonov V. G., Yakubik D.G., Ivanova N.V., Sadykova L.R. Morphology and Phase Compositions of FePt and CoPt Nanoparticles Enriched with Noble Metal. Mater. 2023. V. 16. N 23. P. 7312. DOI: 10.3390/ma16237312.
Zakharov N.S., Tikhonova I.N., Zakharov Y.A., Popova A.N., Pugachev V.M., Russakov D.M. Study of the Ptrich nanostructured FePt and CoPt alloys: Oddities of phase composition. Lett. Mater. 2022. 12. 4s. P. 480–485. DOI: 10.22226/2410-3535-2022-4-480-485.
Yao J., Yao Y. Experimental study of characteristics of bimetallic Pt–Fe nano-particle fuel cell electrocatalyst. Renew. Energy. 2015. V. 81. P. 182–196. DOI: 10.1016/j.renene.2015.03.031
Zhumabekova A.K., Tastanova L.K., Orynbassar R.O., Zakumbaeva G.D. Effect of modifiers on Fe-Pt/Al2O3 catalysts for alkanes hydrotreatment. Bull. Univ. Karagan-da. Chem. 2020. V. 100. P. 104-118. DOI: 10.31489/2020Ch4/104-118.
Zhang W., Xin H., Zhang Y., Jin X., Wu P., Xie W., Li X. Bimetallic Pt-Fe catalysts supported on mesoporous TS-1 microspheres for the liquid-phase selective hydrogenation of cinnamaldehyde. J. Cat. 2021. V. 395. P. 375–386. DOI: 10.1016/j.jcat.2021.01.034.
Duan L., Xu J., Cao L., Lu L., Zang L., Hu S., Fu R., Wang K. Enhanced Electrocatalytic Performance of the FePt/PPy-C Composite toward Methanol Oxidation. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2024. V. 16. N 34. P. 44718–44727. DOI: 10.1021/acsami.4c07065.
Huo P., Zhao P., Wang Y., Liu B., Yin G., Dong M. A Roadmap for achieving sustainable energy conversion and storage: graphene-based composites used both as an electrocatalyst for oxygen reduction reactions and an electrode material for a supercapacitor. Energies. 2018. V. 11. N 1. P. 167. DOI:10.3390/en11010167.
Ma Z., Mohapatra J., Wei K., Liu J. P., Sun S. Magnetic nanoparticles: Synthesis, anisotropy, and applications. Chem. Rev. 2021. V. 123. N 7. P. 3904–3943. DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00860.
Loiola A.R., Bessa R.A., Oliveira C.P., Freitas A.D., Soares S.A., Bohn F., Pergher S.B. Recent advances in FePt nanoparticles for biomedicine. J. Nanomater. 2015. V. 2015. N 1. P. 467873. DOI: 10.1016/j.jmmm.2022.169651.
Zaidi S.A., Shin J.H. A review on the latest developments in nanostructure-based electrochemical sensors for gluta-thione. Analyt. methods. 2016. V. 8. N 8. P. 1745–1754. DOI: 10.1039/C5AY03140K.
Zhang C., Yang J., Yang C., Hu H., Zhang Q., Luo G., Kong W., Chen Y., Yang H., Wang D. Recent Advances in Confined Pt‐Based Electrocatalysts for Oxygen Reduction Reaction. ChemCatChem. P. e202400554. DOI: 10.1002/cctc.202400554.
Kuznetsova T.S., Burakov A.E., Pasko T.V., Burakova I.V., Dyachkova T.P., Memetova A.E. Physico-chemical and sorption properties of nanocomposite aerogels based on modified carbon nanotubes and graphene. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N. 3. P. 66–76. DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6726.
Mokhova A.I., Naumova V.A., Khaskov M.A., Karaeva A.R., Mordkovich V.Z. Peculiarities of quantitative X-ray fluorescence analysis of iron in carbon matrix. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 6–13. DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.3y.
Chidhambaram N., Kay S. J. J., Priyadharshini S., Meenakshi R., Sakthivel P., Dhanbalan S., Shanavas S., Kamaraj S. K., Thirumurugan A. Magnetic nanomateri-als as catalysts for syngas production and conversion. Catalysts. 2023. V. 13. N 2. P. 440. DOI: 10.3390/catal13020440.
Fedorova N.I., Zykov I.Y., Ismagilov Z.R. Influence of Coal’s Ash Content on the Pore Structure of the Carbon Sorbents Produced. Coke Chem. 2022. V. 65. N 5. P. 201–206. DOI: 10.3103/S1068364X22050027.
Popova A.N. Crystallographic analysis of graphite by X-Ray diffraction. Coke Chem. 2017. V. 60. P. 361–365. DOI: 10.3103/S1068364X17090058.
Dodonov V.G., Zakharov Yu.A., Pugachev V.M., Vasiljeva O.V. Determination of the surface structure peculi-arities of nanoscale metal particles via small-angle X-ray scattering. Inorg. Mater. Appl. Res. 2016. V. 7. N 5. P. 804–814. DOI: 10.1134/S207511331605004X.
Pang P., Han H., Hu L., Guo C., Gao Y., Xie Y. The calculations of pore structure parameters from gas adsorp-tion experiments of shales: Which models are better? J. Nat. Gas Sci. Eng. 2021. V. 94. P. 104060. DOI: 10.1016/j.jngse.2021.104060.
Zakharov Yu.A., Ivanova N.V., Simenyuk G.Yu., Lomakin M.V., Sergina T.O., Kachina E.V., Dodonov V.G. Morphology and electrochemical properties of composites based on multi-wall carbon nanotubes filled with gold and manganese oxides nanoparticles. Lett. Mater. 2023. V. 13. N 4 (52). P. 481–487. DOI: 10.22226/2410-3535-2023-4-481-487.
