Ученые разработали материал на основе феррита висмута, в котором часть атомов висмута заменена на гадолиний. Такая модификация повысила способность соединения разлагать органический краситель метиленовый синий с 73% до 99% и заметно улучшила его магнитные свойства. Разработка может найти применение в системах очистки воды и устройствах магнитной памяти. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.
Феррит висмута — соединение на основе висмута, железа и кислорода — представляет собой многофункциональный материал, способный разлагать органические вещества под действием света и обладающий магнитным упорядочением, то есть намагничивающийся под действием внешнего магнитного поля. Первое свойство потенциально позволит применять соединение в системах очистки воды, второе — в разработке устройств магнитной памяти. Такие устройства перспективнее обычных электронных приборов для хранения данных, поскольку они надежнее, долговечнее и экономичнее. Однако в чистом виде феррит висмута имеет ограниченные магнитные характеристики и сравнительно невысокую эффективность в качестве фотокатализатора. Улучшить эти свойства можно, введя в материал дополнительные элементы, например редкоземельные металлы.
Исследователи из Дагестанского государственного университета (Махачкала) совместно с коллегами синтезировали материал, в котором часть атомов висмута была заменена на гадолиний. Синтез проводили методом горения с использованием нитратов висмута, железа и гадолиния, а также глицина в качестве органического топлива. Раствор реагентов выпаривали при температуре около 300°C. В процессе образовывался гель, который затем самовоспламенялся, формируя чистый нанопорошок искомого соединения. Таким образом авторы получили серию образцов с содержанием гадолиния 5%, 10%, 15% и 20% от числа атомов висмута.
Добавление гадолиния изменило кристаллическую структуру материала. Поскольку атомы гадолиния меньше атомов висмута, они создали дополнительное напряжение в кристаллической решетке и привели к серии фазовых переходов, что отразилось на магнитных, диэлектрических и каталитических свойствах соединения. При этом эффект был тем больше, чем выше была концентрация атомов гадолиния.
Так, образец с 20% замещением висмута на гадолиний при облучении ультрафиолетовым и видимым светом за 45 минут удалил из воды 99% метиленового синего — органического красителя, широко применяемого в медицине и текстильной промышленности. Образцы с меньшими концентрациями гадолиния показали эффективность 96–98%. Для сравнения, чистый феррит висмута в тех же условиях удалил лишь 73% красителя за один час.
Исследование показало, что для каждого функционального свойства существует своя оптимальная концентрация гадолиния: наибольшая намагниченность наблюдается при 10%, максимальная диэлектрическая проницаемость (характеристика, показывающая, насколько материал может накапливать электрический заряд под действием электрического поля) — при 15%, а рекордная фотокаталитическая активность — при 20%.
«Наши результаты показывают, что точная настройка состава позволяет целенаправленно усиливать отдельные функциональные свойства феррита висмута и подобных ему соединений. В дальнейшем мы планируем исследовать влияние других редкоземельных элементов и различных условий синтеза, а также создать композиты на основе полимерных матриц, чтобы расширить функциональность материала и приблизить его применение в очистке воды и разработке энергоэффективной электроники», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Нариман Алиханов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник кафедры физики конденсированного состояния и наносистем Дагестанского государственного университета.
В исследовании принимали участие сотрудники МИРЭА — Российского технологического университета (Москва), Южного федерального университета (Ростов-на-Дону) и Института физики имени Х.И. Амирханова ДФИЦ РАН (Махачкала).
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
