Утворення ультрадисперсних феритів заліза, кобальту і цинку на поверхні сталі

Abstract

Проведено дослідження особливостей процесу формування ультрадисперсних феришпінелей на поверхні ста левого електрода під час його контакту з водним дисперсійним середовищем, що містить катіони електронегативних металів, в умовах контрольованої аерації системи киснем повітря. Показано, що головними залізооксидними мінералами, які утворюються за таких умов, є Fe(II)-Fe(III) шаруваті подвійні гидроксиди — Green Rust, гетит, лепідокрокіт і ферити відповідних 3d-металів. Процес фазоутворення контролюється проходженням катодного процесу, який нейтралізує рН приелектродного простору, надходженням в систему окисника та хімічним складом дисперсійного середовища.

Проведено исследование особенностей процесса формирования ультрадисперсных ферришпинелей на поверхности стального электрода во время его контакта с водной дисперсионной средой, содержащей катионы электроотрицательных металлов, в условиях контролируемой аэрации системы кислородом воздуха. Показано, что главными железооксидными минералами, образующимися в таких условиях, являются Fe(II)-Fe(III) слоистые двойные гидроксиды — Green Rust, гетит, лепидокрокит и ферриты соответствующих 3d-металлов. Процесс фазообразования контролируется прохождением катодного процесса, который нейтрализует рН приэлектродного пространства, поступлением в систему окислителя и химическим составом дисперсионной среды.

The development of nanoscience and nanotechnology was facilitated by the necessity of creating the newest functional materials such as medical and biological function. The nanosized structures with para- and ferrimagnetic properties are used to create the magnetic carriers for directional delivery of medicines in a magnetic field. Natural analogues of ultradispersed minerals such as magnetite, maghemite or spinel ferrite of different 3d-metals are used as ferromagnetic materials. This paper shows the specificity of formation of spinel ferrite on the steel surface contacting with water solutions containing cations electronegative with respect to iron or galvanic couple iron-carbon, such as cobalt, zinc, and nickel or ferrous iron. The main methods of investigation were XRD with an additional module, which permits to register phase composition of surface structures in situ and transmission electron microscopy (TEM). The formation of the structures proceeds on the surface of the steel electrode (St3) or its near-surface layer under its contact with air oxygen and dispersion medium. Water-salt solutions of Fe₂(SO₄)₃, FeSO₄, CoCl₂, NiCl₂, ZnCl₂ at pH ranging from 2.5 to 12.0 and concentrations from 1 to 1 · 10³ mg/dm³ were used as the dispersion medium. The result of this study shows that in most systems the ultra disperse structures of magnetite Fe₃O₄ are formed on the iron surface in the presence of ions of ferrous iron, or structures of spinel ferrite in the presence of cobalt and zinc ions. The process of phase formation proceeds by stages including the growth of nanosized particles of Green Rust 1, its transformation to phases of iron oxyhydroxides – goethite α-FeOOH and lepidocrocite γ-FeOOH and their interaction with cations of the dispersion medium with formation of spinel structures. In the presence of ferric and ferrous iron ions from 1 to 1 · 10³ mg/dm³ for 1 hour there the layer of GR (SO₄²⁻) is formed on steel surface. Availability of Fe(II) and Fe(III) cations in the dispersion medium slows down the process of phase transformations and the presence of other structures as goethite α-FeOOH, lepidocrocite γ-FeOOH and magnetite Fe₃O₄ or cobalt ferrite CoFe₂O₄ is observed after 22—24 hours of phase formation. After 90 hours of phase formation the amount of spinel ferrite is ~80 % of the general bulk of iron oxides structures. This process depends on physical-chemical conditions of carrying out the experiment. The inner or outer parameters of the process being changed the formation of well-crystalline spinel particles is impossible. The identity of phase composition of iron oxide minerals in a wide range of pH value allows us to think that the specific conditions are created on the steel surface that are regulated by electrochemical reaction of iron dissolution and oxygen depolarization. The spinel ferrite particles which are formed on steel surface are used as ferrimagnetic medical holders in medicalbiological investigation and show different biological activity depending on the nature of cation in the spinel structure.