СИНТЕЗ І ДОСЛІДЖЕННЯ АЛЮМІНІЙ-ЗАМІЩЕНИХ ШПІНЕЛЕЙ НА ОСНОВІ ZNMN2O4: СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ ТА ПЕРСПЕКТИВИ ЗАСТОСУВАННЯ
DOI:
https://doi.org/10.32782/naturaljournal.10.2024.9Ключові слова:
шпінелі, золь-гель метод, алюмінієве заміщення, ширина забороненої зони, кристалічна структураАнотація
Шпінелі є важливими функціональними матеріалами, які активно досліджуються через їхні перспективні властивості в таких галузях, як каталіз, сенсори, акумулятори тощо. Алюміній-заміщені шпінелі на основі ZnMn2O4 можуть мати покращені властивості порівняно з іншими матеріалами цього класу завдяки їх стабільності, широкому діапазону регулювання ширини забороненої зони та високій пористості. Актуальність роботи підкреслюється необхідністю пошуку нових матеріалів з контрольованими властивостями для використання у високотехнологічних галузях, енергетиці, для адаптації каталізатора під модифікований субстрат. У статті представлені результати синтезу та комплексного дослідження властивостей алюміній-заміщених шпінелей складу Zn(1-x)AlxMn2O4 (x = 0,05, 0,10, 0,15, 0,20, 0,25, 0,30), синтезованих за допомогою золь-гель методу. Для структурної характеристики та визначення фазового складу застосовували методи рентгенівської дифрактометрії (XRD), інфрачервоної спектроскопії (FTIR), спектроскопії дифузного відбиття (DRS) і скануючої електронної мікроскопії (SEM). Розмір кристалітів оцінено за допомогою рівняння Шеррера. Рентгенофазовий аналіз засвідчив однофазність усіх зразків незалежно від рівня заміщення, що вказує на стабільність отриманих структур. Структурне уточнення проведено за допомогою методу Рітвельда, що продемонструвало високу відповідність експериментальних дифрактограм теоретичним моделям. Встановлено основні параметри елементарної комірки та рентгенівську густину. Проаналізовано зміну відстаней метал–оксид у координаційних поліедрах. ІЧ-спектроскопія показала наявність трьох смуг поглинання в діапазоні від 1000 до 385 см⁻¹ для референсного та заміщених зразків із поступовим зсувом у довгохвильову область. Ширина забороненої зони, розрахована за функцією Кубелки-Мунка та графічним методом Тауца, змінюється від 2,76 eВ до 2,90 eВ при початковому збільшенні заміщення, а потім зменшується до 2,53 eВ при подальшому підвищенні концентрації алюмінію. SEM дослідження підтвердило високу пористість та розвинену площу поверхні синтезованих зразків, що є важливою характеристикою для можливого застосування цих матеріалів у різних галузях, включно з каталізом та сенсорами.
Посилання
Almenia S.H., Ismail A.A., Alzahrani K.A., Aljahdali M. Design of mesoporous heterojunction CuCo₂O₄/Co₃O₄ photocatalyst with superior photocatalytic degradation of tetracycline. Journal of Photochemistry and Photobiology A. 2023. Vol. 438. P. 114507. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2022.114507.
Almojil S.F., Ali M.A., Almohana A.I., Alali A.F., Almoalimi K.T., Althahban S., Sharma K., Ahmed A.N. Constructing a ZnO/CuCo₂O₄ p-n heterojunction photocatalyst for efficiently hexavalent chromium–phenol detoxification and nitrogen fixation. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2023. Vol. 172. P. 111057. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2022.111057.
Barth S., Hernandez-Ramirez F., Holmes J.D., Romano-Rodriguez A. Synthesis and applications of one-dimensional semiconductors. Progress in Materials Science. 2010. Vol. 55. P. 563–627. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2010.02.001.
Bessekhouad Y., Trari M. Photocatalytic hydrogen production from suspension of spinel powders AMn₂O₄ (A = Cu and Zn). International Journal of Hydrogen Energy. 2002. Vol. 27. P. 357–362. https://doi.org/10.1016/s0360-3199(01)00159-8.
Blanco-Gutiérrez V., Torralvo-Fernández M.J., Sáez-Puche R. Magnetic behavior of ZnFe₂O₄ nanoparticles: Effects of a solid matrix and the particle size. Journal of Physical Chemistry C. 2010. Vol. 114. P. 1789–1795. https://doi.org/10.1016/s0360-3199(01)00159-8.
Chen J.P., Sorensen C.M. Size-dependent magnetic properties of MnFe₂O₄ fine particles synthesized by coprecipitation. Physical Review B. 1996. Vol. 54. P. 9288–9296. https://doi.org/10.1103/physrevb.54.9288.
Chen Y.C., Xie K., Pan Y., Zheng C.M. Effect of calcination temperature on the electrochemical performance of nanocrystalline LiMn₂O₄ prepared by a modified resorcinol-formaldehyde route. Solid State Ionics. 2010. Vol. 181. P. 1445–1450. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2010.08.011.
Cui B., Lin H., Liu Y.Z., Li J.B., Sun P., Zhao X.C., Liu C.J. Photophysical and photocatalytic properties of core-ring structured NiCo₂O₄ nanoplatelets. Journal of Physical Chemistry C. 2009. Vol. 113. P. 14083–14087. https://doi.org/10.1021/jp900028t.
Ding D.W., Long M., Cai W.M., Wu Y.H., Wu D.Y., Chen C. In situ synthesis of photocatalytic CuAl₂O₄-Cu hybrid nanorod arrays. Chemical Communications. 2009. Vol. 24. P. 3588–3590. https://doi.org/10.1039/B903865E.
Fan H.M., Yi J.B., Yang Y., Kho K.W., Tan H.R., Shen Z.X., Ding J., Sun X.W., Olivo M.C., Feng Y.P. Single-crystalline MFe₂O₄ nanotubes/nanorings synthesized by thermal transformation process for biological applications. ACS Nano. 2009. Vol. 3. P. 2798–2808. https://doi.org/10.1021/nn9006797.
Ferraris G., Fierro G., Jacono M.L., Inversi M., Dragone R. A study of the catalytic activity of cobalt-zinc manganites for the reduction of NO by hydrocarbons. Applied Catalysis B: Environmental. 2002. Vol. 36. P. 251–260. https://doi.org/10.1016/S0926-3373(01)00289-2.
Fierro G., Jacono M.L., Dragone R., Ferraris G., Andreozzi G.B., Graziani G. Fe-Zn manganite spinels and their carbonate precursors: Preparation, characterization and catalytic activity. Applied Catalysis B: Environmental. 2005. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2004.10.007.
Guillemet-Fritsch S., Chanel C., Sarrias J., Bayonne S., Rousset A., Alcobe X., Martinez Sarriòn M.L. Structure, thermal stability and electrical properties of zinc manganites. Solid State Ionics. 2000. Vol. 128. P. 233–242. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(99)00340-9.
Heiba Z.K., Ghannam M.M., Abdellatief M., Badawi A., Mohamed M.B. Structural, optical and shielding properties of transition metals (R: Mg, Sn and Bi) doped nano ZnMn₂O₄: A comparative study. Optical Materials. 2024. Vol. 152. P. 115511. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115511.
Kronik L., Shapira Y. Surface photovoltage phenomena: Theory, experiment, and applications. Surface Science Reports. 1999. Vol. 37. P. 1–206. https://doi.org/10.1016/S0167-5729(99)00002-3.
Patra P., Naik I., Bhatt H., Kaushik S.D. Structural, infrared spectroscopy and magnetic properties of spinel ZnMn₂O₄. Physica B: Condensed Matter. 2019. https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.08.005.
Peiteado M., Caballero A.C., Makovec D. Diffusion and reactivity of ZnO-MnOx system. Journal of Solid State Chemistry. 2007. Vol. 180. P. 2459–2464. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2007.07.001.
Peng H.Y., Wu T. Nonvolatile resistive switching in spinel ZnMn₂O₄ and ilmenite ZnMnO₃. Applied Physics Letters. 2009. Vol. 95. P. 152106. https://doi.org/10.1063/1.3249630.
Raj S., Manna R., Samanta A.N. Spinel ZnMn₂O₄ nanosphere for the efficient sulfamethazine degradation under visible light irradiation and photoelectrochemical study. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2024. Vol. 12. P. 112277. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.112277.
Selim M.M., Deraz N.M., Elshafey O.I., El-Asmy A.A. Synthesis, characterization and physicochemical properties of nanosized Zn/Mn oxides system. Journal of Alloys and Compounds. 2010. Vol. 506. P. 541–547. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.04.180.
Shang J., Zhang T., Li X., Luo Y., Feng D., Cheng X. Mn₃O₄-ZnMn₂O₄/SnO₂ nanocomposite activated peroxymonosulfate for efficient degradation of ciprofloxacin in water. Separation and Purification Technology. 2023. Vol. 311. P. 123342. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2024.105533.
Shi R., Wang Y.J., Li D., Xu J., Zhu Y.F. Synthesis of ZnWO₄ nanorods with [100] orientation and enhanced photocatalytic properties. Applied Catalysis B: Environmental. 2010. Vol. 100. P. 173–178. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2010.07.027.
Tian L., Yuan A.B. Electrochemical performance of nanostructured spinel LiMn₂O₄ in different aqueous electrolytes. Journal of Power Sources. 2009. Vol. 192. P. 693–697. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.03.002.
Valadi F.M., Gholami M.R. Synthesis of CuCo₂O₄/BiVO₄ composites as promising and efficient catalysts for 4-nitrophenol reduction in water: Experimental and theoretical study. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2021. Vol. 9. P. 105408. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105408.
Wang Z.L. Characterizing the structure and properties of individual wirelike nanoentities. Advanced Materials. 2000. Vol. 12. P. 1295–1298. https://doi.org/10.1002/1521-4095(200009)12:17<1295::AID-DMA1295>3.0.CO;2-B.
Xia Y.N., Yang P.D., Sun Y.G., Wu Y.Y., Mayers B., Gates B., Yin Y.D., Kim F., Yan H.Q. Onedimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications. Advanced Materials. 2003. Vol. 15. P. 353–389. https://doi.org/10.1002/adma.200390087.
Xiao L.F., Yang Y.Y., Yin J., Li Q., Zhang L.Z. Low temperature synthesis of flower-like ZnMn₂O₄ superstructures with enhanced electrochemical lithium storage. Journal of Power Sources. 2009. Vol. 194. P. 1089–1093. https://doi.org/10.1039/C3TA13511J.
Xu S.H., Feng D.L., Shangguan W.F. Preparations and photocatalytic properties of visible-light-active zinc ferrite-doped TiO₂ photocatalyst. Journal of Physical Chemistry C. 2009. Vol. 113. P. 463–467. https://doi.org/10.1021/jp806704y.
Yang Y.Y., Zhao Y.Q., Xiao L.F., Zhang L.Z. Nanocrystalline ZnMn₂O₄ as a novel lithium-storage material. Electrochemical Communications. 2008. Vol. 10. P. 1117–1120. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2008.05.026.
Yu K.H., Chen J.H. Enhancing solar cell efficiencies through 1-D nanostructures. Nanoscale Research Letters. 2009. Vol. 4. P. 1–10. https://doi.org/10.1007/s11671-008-9200-y.
Zhang X.D., Wu S.Z., Zang J., Li D., Zhang Z.D. Hydrothermal synthesis and characterization of nanocrystalline Zn-Mn spinel. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2007. Vol. 68. P. 1583–1590. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.03.044.
