Ferrite纳米结构的结构、振动、形貌、光学、光致发光、介电、电学和磁学特性：柠檬酸浓度的影响

《Ceramics International》：Structural, vibrational, morphological, optical, photoluminescence, dielectric, electrical, and magnetic properties of Magnesium Ferrite nanostructures: an impact of citric acid concentrations

　　

摘要

本研究报道了利用快速燃烧法在不同柠檬酸（CA）浓度下合成氧化铁镁（MFO NPs）纳米粒子的简便方法。X射线衍射分析证实所有纳米结构均为立方结构，并检测了其他微观结构参数。利用谢乐方程获得晶粒尺寸为26至14纳米，并观察到柠檬酸含量使晶粒尺寸减小。振动分析也证实了MFO NPs的相结构。扫描电子显微镜（SEM）研究揭示了MFO纳米粒子的成功合成。根据能量色散X射线光谱（EDX）分析，所合成的MFO NPs具有适当的成分。为了记录MFO NPs的发光光谱，在402纳米处进行激发，发现在457±3纳米处发射。随着柠檬酸含量的增加，MFO NPs的带隙从2.02降低至1.63电子伏特。X射线光电子能谱（XPS）分析证实MFO NPs成功合成。我们在广泛的频率范围内进行了介电和电学性能研究，介电常数在150至170之间。MFO NPs中，1.5克柠檬酸辅助合成的MFO NPs表现出最高的介电常数。最后，还检测并讨论了300开尔文下的磁学性能。由于其小颗粒尺寸、宽带隙、高介电常数和磁学参数，MFO NPs可能是光自旋电子学应用和储能器件的理想候选材料。

引言

近年来，磁性纳米粒子因其独特的量子尺寸效应和磁性隧穿特性而备受关注。存在多种具有独特物理性能的磁性材料。然而，尖晶石铁氧体材料因其物理化学性能而被广泛应用于传感器（气体/湿度）、太阳能电池、电池、催化/环境、磁记录/成像以及数据存储等领域 1, 2。尖晶石铁氧体（MFe₂O₄）纳米粒子具有独特的性能，适用于多种技术应用，可通过多种廉价的化学方法合成，包括共沉淀法 [3]、溶胶-凝胶法 [4]、水热法 [5]、球磨法 [6]、燃烧法 [7] 以及微波辅助法 [8]。然而，一些方法存在一些缺点，使其不适合合成铁氧体纳米材料，例如原材料成本高、化学不均匀性、高杂质水平和某些铁氧体体系的非化学计量性。与其他化学方法相比，快速燃烧法因其成本低、易于控制颗粒尺寸而被视为一种简便高效的合成方法 9, 10。快速燃烧技术涉及将等化学计量量的金属硝酸盐与柠檬酸等燃料混合，并在持续搅拌下加热，直至发生直接燃烧，最终在约600摄氏度下燃烧生成铁氧体纳米晶粉末 [11]。Kolte等人 [12] 采用固态燃烧法，使用不同的燃料（蛋清、柠檬酸、甘氨酸和尿素）合成了氧化镁铁纳米粒子，研究了燃料对其结构和磁性能的影响。在他们的研究中，发现蛋清由于增强气体逸出（包含生物源材料），表现出显著的大小结构和热性能，并促进材料的生物相容性。计算所得的晶粒尺寸范围为27至49纳米。而振动样品磁强计（VSM）测得的饱和磁化强度（M_s）值为：蛋清29 emu/g，甘氨酸27 emu/g，柠檬酸24 emu/g，尿素23 emu/g。此外，Heidari等人 [13] 采用溶液燃烧法，使用乙二胺四乙酸（EDTA）、柠檬酸和甘氨酸作为燃料合成了MFO。根据其研究，粉末形貌和微观结构受到燃料类型和用量的强烈影响。由于燃烧温度降低，使用甘氨酸燃料的粒子尺寸从250纳米减小到45纳米和35纳米（分别对应柠檬酸和EDTA燃料）。他们研究了粒子尺寸与倒易度之间关于磁性能的直接相关性。饱和磁化强度从EDTA燃料的17 emu/g增加到柠檬酸燃料的26 emu/g和甘氨酸燃料的27 emu/g。因此，通过快速燃烧法制备铁氧体严重取决于制备条件和燃料。所制备的样品在纯度、晶粒尺寸、形貌、孔隙率和碳含量方面受到燃料比例的影响。

MgFe₂O₄ 是化学和磁性能可调的候选材料之一。在其特性中，它被认为是一种软磁材料，具有低饱和磁化强度、高电阻率、可重复特性，并且是一种n型半导体。尖晶石铁氧体的化学式为 $$，其中A是通常占据单位细胞34个位置中8个四面体位点的金属阳离子（如Co、Zn、Mn、Mg、Cu等）；然而，Fe³⁺ 阳离子通常占据32个位置中的16个八面体位点 [14]。根据参考文献 [15]，MFO具有立方尖晶石结构，因为其阳离子Mg²⁺ 和Fe³⁺ 在温度控制下均匀分布在四面体和八面体晶格位点中，空间群为Fd3m [16]。此外，由于其高化学稳定性和电抗性以及低介电损耗而被选中。它具有出色的热和化学稳定性，可防止复合材料结构在活跃使用或循环过程中分解，同时其安全、无毒和环保特性使其适用于生物和环境应用。MgFe₂O₄ 特别适用于电化学应用，如太阳能电池、燃料电池、电池、传感器和电子元件、超级电容器和催化、抗菌剂，这得益于其理想的电化学特性 10, 17, 18。根据现有文献，关于不同浓度燃料添加剂通过燃烧法对纳米晶MFO合成影响的研究报道较少。此外，迄今为止，MFO尚未在600摄氏度下通过燃烧法合成，且使用了广泛的柠檬酸含量。因此，本研究旨在考察不同柠檬酸浓度对通过快速燃烧法获得的MgFe₂O₄ 纳米粒子关键功能性能的影响。已对结构、振动、形貌、成分、光致发光、光学、电学、介电和磁性能进行了研究，以适用于多种应用。我们对所有获得的参数进行了详细讨论，并与之前的结果进行了比较。

章节片段

材料和制备方法

为了合成目标MFO NPs，我们使用了来自Sigma Aldrich Pvt Ltd的六水硝酸镁（Mg(NO₃)₂·6 H₂O，纯度99.999%）、九水硝酸铁（Fe(NO₃)₃·9 H₂O，纯度99.95%）和柠檬酸（纯度≥99.5%）。利用八个瓷坩埚，我们通过快速燃烧法合成MFO NPs，使用固定量的Mg(NO₃)₂·6 H₂O和Fe(NO₃)₃·9 H₂O，Mg:Fe比为1:2。柠檬酸（C₆H₈O₇，CA）含量按以下比例添加到这8个坩埚中

相确定和微观结构分析

根据所有样品的XRD图谱（图1），发现所有样品中均存在尖晶石相峰。未添加/低含量柠檬酸制备的样品中含有杂质相对应的峰，如图所示。根据观察到的索引峰和标准卡片JCPDS（73-2410），XRD图谱一致 19, 20。在0.0至0.50克柠檬酸样品产生的XRD图谱中，在23.6、33.0、41.5、50和65.2处观察到的峰为

结论

成功利用燃烧法合成具有不同柠檬酸浓度的MFO NPs。立方相的结构、振动、形貌和成分分析均确认了其存在并相互关联。根据谢乐方程，随着柠檬酸浓度的增加，MFO晶粒尺寸从14增加到26纳米。通过SEM和TEM分析评估了形貌，证实了纳米粒子的球形形状

CRediT作者贡献声明

Njod Al Sdran：写作—审稿与编辑，写作—初稿，可视化，验证，项目管理，方法学，调查，经费获取，正式分析，数据整理，概念化。Mohd Shkir：写作—审稿与编辑，写作—初稿，可视化，验证，监督，软件，项目管理，方法学，调查，经费获取，正式分析，数据整理，概念化

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

目前无法共享重现这些发现所需的原始/处理数据，因为这些数据也是正在进行研究的组成部分。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：

致谢

作者感谢内季兰大学研究生院和科学研究部在联合资助计划（资助代码：NU/CPL/SERC/14/1497）下对本工作的资助。

Njod Al Sdran|Mohd. Shkir