Preparation of Fe3O4@C Nanoparticles with controllable Surface Properties

Abstract

Recently, much research about Fe3O4 nanoparticles has been investigated owing to their noticeable physicochemical and magnetic properties as well as their a variety of potential applications. When Fe3O4 nanoparticles have been utilized for a specific application, the particular particle size, shape, and magnetic proerties should be need to determine with the specific material of modification for the aimed application. Therefore, the simply size tunable synthetic method of Fe3O4 nanoparticles and the characteristic material for fabrication with Fe3O4 nanoparticles to manifest the optimized performance about applications are required. The polyol process, which is conducted by using polyol solvents have been proved as facile method to easily control the particle size among various methods. Based on the innate advantages of polyol method, the modified polyol method using tSCD (Trisodium citrate dihydrate) and sodium hydroxide was suggested for the enhanced size controllability and unifomity of particle distribution. The carboxylic groups functionalized on Fe3O4 grains from tSCD leads to the electrostatic repulsion between particles resulting in size reduction. In addition, the improved uniformity was possible by sodium hydroxide, which accelerates the consolidation of unreacted Fe3O4 grains. As a result, the Fe3O4 nanoparticles having the sizes from 30 to 500 nm were synthesized by changes of tSCD and sodium hydroxide. In this study, the porous structural Fe3O4@C nanoparticles were synthesized by heat treatment between Fe3O4 nanoparticles and glucose under reflux instead of a hydrothermal condition. To supplement the insufficient carbonization, sulfuric acid was added as a catalyst for carbonization. In addition, the addition of sulfuric acid also acted the controller of surface properties such as surface area and porosity by etching effect. The surface of Fe3O4@C nanoparticles was rugged as the increase of sulfuric acid, however, the particles were morphologically collapsed at the high amount of sulfuric acid. The influences of sulfuric acid on the carbonization and magnetization also were confirmed by Raman scattering and VSM. With the decrease of the ID/IG value, the carbonization was catalyzed by sulfuric acid, also, the unusual increase of saturation magnetization at 2 and 4 mL of 0.1 M sulfuric acid and reduction of saturation magnetization at 6 and 8 mL of 0.1 M sulfuric acid were attributed to the removal of surface spin canting and dissolution of a few Fe3O4 grains.; 최근 특유의 물리화학적, 자기적 특성과 여러 응용이 가능한 잠재성으로 인하여 Fe3O4 나노입자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Fe3O4 나노입자를 특정 응용에 적용하기 위해서는 그 응용 목적에 따라 적합한 특성을 갖도록 입자의 크기, 형상, 자기특성, 그리고 복합체를 형성할 특정 기능성 물질이 결정되어야 한다. 따라서 여러 응용에 적용하기 위하여 입자의 크기 조절이 손쉬운 Fe3O4 나노입자의 합성법과 응용에 대한 최대한의 성과와 효율을 나타낼 수 있는 복합체를 형성할 특유의 물질을 필요로 한다. 폴리올계의 용매를 사용하여 입자를 합성하는 폴리올법은 입자의 크기를 조절하는데 용이하다. 이러한 장점을 바탕으로 tSCD (Trisodium citrate dihydrate)와 수산화나트륨을 이용하여 더욱 향상된 입자의 크기조절 능력과 입자의 균일성을 갖는 새로운 폴리올법을 제시하고자 한다. tSCD에 의하여 카르복실기가 Fe3O4 그레인 표면에 기능화되며, 이는 입자들간의 정전기적 반발을 일으켜 Fe3O4 나노입자의 크기가 작아지게 된다. 또한 수산화나트륨은 반응하지 않는 Fe3O4 그레인의 consolidation을 가속화하여 입자의 균일성을 향상시킨다. 따라서 tSCD와 수산화나트륨의 첨가량을 적절히 조절하여 30-500 nm의 다양한 입자크기를 가지는 Fe3O4 나노입자를 합성하였다. 본 연구에서는 수열합성 조건이 아닌 Fe3O4 나노입자와 글루코스 간의 환류 하에 열처리를 통하여 기공성 구조를 갖는 Fe3O4@C 나노입자를 합성하였다. 부족한 carbonization 반응을 보충하기 위해 촉매제로 황산을 첨가하였다. 황산의 첨가는 표면식각을 통하여 표면적과 기공률 같은 표면특성을 조절할 수 있는 인자로서도 작용할 수 있다. Fe3O4@C 나노입자의 표면은 황산첨가량이 많아질수록 표면의 거칠기와 굴곡이 심화되며, 높은 함량의 황산첨가 조건에서는 형상이 무너졌다. 또한 황산의 첨가가 carbonization과 자기특성에 미치는 영향을 라만 산란과 VSM을 통하여 확인하였다. 황산 첨가량 증가에 따라 라만 스펙트럼에서의 ID/IG의 값이 감소하는 경향을 확인할 수 있었으며, 이는 황산에 의해 carbonization의 반응이 촉진된 결과이다. 황산을 첨가하지 않았을 때와 비교하여 0.1M 황산을 2mL와 4mL 첨가한 샘플의 경우 포화자화값이 증가하는 현상을 6mL와 8mL를 첨가하였을 때는 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 이는 황산의 표면식각을 통한 surface spin canting 효과의 제거와 고함량에서 상당수의 Fe3O4 그레인이 용해되었기 때문이다.