Synthesis and characterization of coated magnetic spinel nanoparticles

Abstract

Bu çalışmada M3O4 (M = Fe, Co, Mn) tipi spinel bileşikler hidrotermal, surfaktant (CTAB, TMAOH, PVP, L-lisin, askorbik asit, salisilik asit, yumurta akı ve aljinik asit) yardımıyla hidrotermal, sonokimyasal, yükseltgenme- indirgenme, jel kristal dönüşümü, birlikte çöktürme ve yüksek sıcaklıkta bozunma gibi metodlar kullanılarak sentezlenmiştir. Sentezlenen maddelerin yapısal, morfolojik, spektroskopik ve magnetik karakterizasyonu XRD, TEM, SEM, FTIR, EPR, TGA ve iletkenlik ölçüm metotları kullanılarak analiz edilmiştir. Manyetik nanoparçacıkların kristal boyutu Zeta Potansiyel, XRD (Scherrer denklemi ve profil çizgi eğri uydurma metodu) ve TEM kullanılarak ölçülmüştür. Ek olarak, maddelerin morfolojik özelliklerinin araştırılması için SEM kullanılmıştır.Süper paramanyetik demir oksit Fe3O4 nanoparçacıkları üç farklı metodla başarılı bir şekilde sentezlenmiştir. Fe3O4 nanoparçacıkları surfaktant yardımıyla hidrotermal metodla bazikleştirici ve topaklaşma önleyici surfaktant olarak TMAOH kullanılarak sentezlenmiştir. L-lisin, aljinik asit ve salisilik asit tipi surfaktantlar ile Fe3O4 spinel nanoparçacık sentezi ilk defa bu çalışmada surfaktant yardımıyla birlikte çöktürme yöntemiyle başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Magnetit nanoparçacıklarının sonokimyasal sentezi yine ilk defa bu çalışmada herhangibir pH ayarlaması yapılmaksızın gerçekleştirilmiş olup sentezlenen demir oksit nanoparçacıkları (Fe3O4) ? Poliviniltriazol (PVTri) nanokompoziti hazırlamakta kullanılmıştır. Bütün magnetit nanoparçacıkların ortalama kristal boyutu ise 8 - 20 nm olarak belirlenmiştir.Magnetik Co3O4 nanoparçacıkları iki değişik metotla sentezlenmiştir. Bu metotlar jel kristal dönüşümü ve surfaktant yardımıyla hidrotermal metodları olup basit ve düşük maliyetlidirler. PVP (polivinilpirolidon) ve yumurta akı gibi surfaktant malzemeler ilk kez bu çalışmada Co3O4 spinel nano malzemelerin sentezinde kullanılmıştır. XRD ve profil çizgi eğri uydurma metodu kullanılarak ortalama kristal boyutu 19 ? 45 nm olarak hesaplanmıştır.Mn3O4, nanoparçacıkları üç değişik metotla sentezlenmiştir. İyonik likit (yeşil kimya) metoduna uygun olarak reaksiyon ortamı olarak seçilen [BMIM]OH (1-n-butil- 3-metilimidazolium hidroksit) iyonik likiti kullanılarak ilk defa bu çalışmada sentezlenmiştir. Mn3O4, nanoparçacıkları; TMAOH/NaOH ile nötralleştirme etkisinin karşılaştırması yapılarak, H2O2 ile ve surfaktant olarak PVP kullanılarak hidrotermal metotla birbirinden farklı üç örnek olarak sentezlenmiştir. Sonuncu yöntem olarak yumurta akı (ovalbümin) yardımıyla jel kristal dönüşümü metodu ile yine ilk defa bu çalışmada sentezlenmiştir. Bütün Mn3O4 nanoparçacıkların ortalama kristal boyutu ise 13 - 41.5 nm olarak belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Spinel bileşikler, Manyetik nanoparçacıklar, AC/DC iletkenlik, TEM, EPR.

In this thesis, M3O4 (M = Fe, Co, Mn) type of coated magnetic spinel nanoparticles (NPs) were synthesized by various solution based processes including hydrothermal, surfactant-assisted (CTAB, TMAOH, PVP, L-lysine, ascorbic acid, salicylic acid, egg white, and alginic acid) hydrothermal, sonochemical, gel-to crystalline, thermal decomposition and co-precipitation methods. Structural, morphological, spectroscopic, magnetic and electrical characterizations of all samples were done using XRD, TEM, SEM, FTIR, EPR, TGA, and conductivity measurements. Crystallite size of the magnetic NPs was determined by Zeta Potential Particle Size Analyzer, XRD (Scherrer equation and line profile fitting route), and TEM micrographs. In addition to TEM analysis, for the morphological investigation of some samples, SEM was also used.Superparamagnetic iron oxide (Fe3O4, magnetite) NPs were synthesized successfully by three different routes. Fe3O4 NPs were synthesized by surfactant-assisted hydrothermal route using TMAOH as alkalizing agent and surfactant to prevent the agglomeration. L-lysine, alginic acid and salicylic acid type of surfactants were used for the first time in this study to synthesize the Fe3O4 spinel NPs by surfactant assisted-co precipition route. Sonochemical synthesis of magnetite was also performed for the first time in this study without pH adjustment and magnetite (Fe3O4) - Poly(1-vinyl-1,2,4-triazole) (PVTri) nanocomposites were prepared with as-synthesized magnetite NPs. The average crystallite size was determined in the range of 8 - 20 nm for all magnetite NPs.Magnetic Co3O4 NPs were synthesized by two different routes. These routes are sol-gel process and surfactant assisted-hydrothermal route which are simple and cost effective. PVP (polyvinylpyrrolidone) as type of surfactant and egg white were used for the first time inthis study to synthesize the Co3O4 spinel NPs. By using diffraction profile fitting route, the average crystallite size was calculated in the range of 19 - 45 nm.Magnetic Mn3O4 NPs were synthesized by three different routes. Mn3O4 NPs were successfully prepared by a novel ionic liquid assisted route (green chemistry) based on ionic liquid (1-n-butyl- 3-methylimidazolium hydroxide) [BMIM]OH as reaction media. Mn3O4 NPs were synthesized by hydrothermal route using TMAOH/NaOH to compare the effect of neutralizing agent, H2O2, and PVP respectively. Egg-white (ovalbumin) assisted route was used for the first time in this study to synthesize the Mn3O4 spinel NPs. The average crystallite size was determined in the range of 13 -41.5 nm for all Mn3O4 NPs.Keywords: Spinels, Magnetic nanomaterials, AC/DC Conductivity, TEM, EPR.