Wetenschappers van de Siberische Federale Universiteit (SFU) en de Russische Academie van Wetenschappen hebben een nieuwe methode gebruikt voor het synthetiseren van ijzer-dysprosium-granaat. Magnetische materialen van deze klasse worden gebruikt in microgolf- en magnetische fotonapparatuur. IJzer-dysprosium-granaat is weinig bestudeerd en kan voorheen onbekende eigenschappen hebben. Het artikel is gepubliceerd in Materiaalkunde en techniek .

Hoewel de methode van anionharsuitwisselingsprecipitatie al sinds de jaren zestig bekend is, het is alleen gebruikt om de hydroxiden van aluminium te synthetiseren, chroom (III), ijzer (III), indium (III), en verschillende andere verbindingen. In de afgelopen 40 jaar zijn er op dit gebied geen waardevolle doorbraken gemaakt, en er zijn bijna geen moderne publicaties over. Een team van Siberische wetenschappers was de eerste die anionenuitwisselingshars gebruikte om complexe oxidesystemen te verkrijgen. Dit werk maakt deel uit van een reeks publicaties die zijn opgesteld door de wetenschappers van SFU en de Russische Academie van Wetenschappen.

"Ons laboratorium werkt al twee decennia aan de methode van anionharsuitwisselingsprecipitatie die toepasbaar is op verschillende systemen, en door het te gebruiken hebben we materialen met magnetische eigenschappen verkregen, " zei Svetlana Saikova, hoogleraar van de afdeling anorganische chemie van SFU, en doctor in de scheikunde.

Anionharsuitwisselingsprecipitatie is een methode van de zogenaamde "natte" chemie. Het proces vindt plaats bij kamertemperatuur en onder atmosferische druk. Het product wordt gesynthetiseerd uit een mengsel van wateroplossingen van zouten, maar in plaats van traditionele precipitatiemiddelen (alkali of ammoniak) wordt een anionenuitwisselingshars gebruikt. Het is een polymeer - een onoplosbare matrix in de vorm van kleine (0,25-0,5 mm straal) microbolletjes die anionen van initiële zouten vangen.

Traditionele precipitatie van metalen leidt vaak tot de vorming van niet-kristallijne losse afzettingen (d.w.z. fijn gedispergeerde deeltjes zonder enige structuur) die moeilijk te scheiden zijn van het verzonken elektrolyt. Het gebruik van anionenwisselaarhars voorkomt vervuiling van het product met kationen. Bovendien, vanwege het feit dat de anionen van het oorspronkelijke zout worden gevangen door polymeerparels, wetenschappers konden zuivere metaalhydroxiden verkrijgen. Bovendien, de precipitatie van de anionharsuitwisseling heeft goede resultaten, als ionen van de oplossing onoplosbare verbindingen vormen of overgaan naar de sorptiemiddelfase.

Een ander voordeel van deze methode is dat het product onder gecontroleerde omstandigheden wordt geproduceerd zonder hoge temperaturen of agressieve stoffen. Alle reactieproducten worden tegelijkertijd gegenereerd, wat hun verdere interactie gemakkelijker maakt.

Vanwege het vermogen om de correlatie tussen reagerende stoffen te optimaliseren, om de ionenuitwisselingshars te kiezen, en, indien vereist, om stoffen aan het systeem toe te voegen die de neerslagsnelheid regelen, kunnen wetenschappers de synthese uitvoeren met vaste pH-waarden. Het is belangrijk, als het eindproduct bepaalde eigenschappen moet hebben, zoals metastabiele of actieve fasen, wat onmogelijk is tijdens regelmatige alkalische bodemdaling vanwege het lokale oververzadigingseffect.

Deze methode is veel handiger, goedkoper, en beter gecontroleerd dan de vaste-fase-granaatsynthesemethode die tegenwoordig wordt gebruikt om de meeste granaat-gestructureerde verbindingen te verkrijgen. Bij deze methode, fijngemalen mengsels met een bijzondere samenstelling worden bij verschillende temperaturen in de lucht of vacuüm gebakken. Rekening houdend met de vereiste eigenschappen van het eindproduct, temperatuur binnen het bereik van 1300-1350° is geselecteerd. Bovendien, om de samenstelling homogeen te maken, malen en bakken worden meerdere keren gedaan.

De afzetting die wordt verkregen tijdens anionenuitwisselingsdaling wordt ook met warmte verwerkt. Echter, het vereist 700-900° en minder baktijd. Alle producten zijn tegelijkertijd gezakt, de componenten beginnen te interageren in het reactiestadium, en verdere thermische verwerking verhoogt alleen de interactiesnelheid. Vanwege de hoge activiteit van voorlopers van nanogrootte (stoffen die deelnemen aan de reactie), materialen die met deze methode zijn verkregen, kunnen ongebruikelijke eigenschappen hebben.

Vooral, met deze methode konden de wetenschappers een stof synthetiseren met de formule Dy3Fe5O12 - ijzer-dysprosium-granaat. Fysische methoden toonden aan dat de afzettingen bestonden uit 2-30 nm nanodeeltjes met kristalstructuur. Magnetische eigenschappen van de granaat werden bestudeerd met behulp van magnetisch circulair dichroïsme.

De belangstelling voor deze stoffen wordt bepaald door het brede scala aan fysische eigenschappen van granaat. Bijvoorbeeld, almandien, natuurlijk ijzer en aluminium granaat (Fe ₃ Al ₂ Si ₃ O ₁₂ ) wordt vaak gebruikt in sieraden vanwege de heldere karmozijnrode kleur en hardheid. Veel granaten hebben magnetische eigenschappen, ook. Vooral, aluminium-yttrium (Y ₃ Al ₅ O ₁₂ ) en ijzer-yttrium-granaten (Y3Fe5O12) zijn wijdverbreid en vrij goed bestudeerd. Ze worden veel gebruikt als componenten van magnetronapparaten, circulatiepompen, faseschakelaars, magnetische fotonapparaten en isolatoren. Nanokristallen van deze materialen spelen een grote rol bij de productie van magnetische materialen. De auteurs bestudeerden magnetische eigenschappen van ijzer-dysprosium-granaat en ontdekten dat ze veranderen als yttrium wordt vervangen door dysprosium. De groep plant een uitgebreide studie van granaten waarbij yttrium is vervangen door andere zeldzame aardelementen.