Российские ученые впервые в мире провели плазменный синтез соединений кобальта
Исследователи из Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН (Апатиты) и Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва) первыми в мировой практике провели опыт применения низкотемпературной плазмы для обработки двойной комплексной соли кобальта и железа. Результаты открывают новый подход к использованию комплексных солей как прекурсоров (предшественников) функциональных материалов и указывают на перспективность плазмохимических методов в создании оксидных систем со сложной структурой и заданными свойствами.
Двойные комплексные соли известны тем, что при нагревании разлагаются с удалением лигандов, а металлосодержащий остаток превращается в оксидное или смешанное соединение. Однако классический термолиз нередко требует значительных температур и длительного времени, а также не всегда формирует однородную фазу. Плазма способна инициировать разрушение координационных связей без значительного нагрева основной массы вещества.
Исследованная двойная комплексная соль [Co(NH3)6][Fe(CN)6] представляет интерес благодаря равномерному распределению атомов кобальта и железа, что особенно важно для синтеза биметаллических оксидных материалов с точным стехиометрическим составом, которые могут служить прекурсорами для материалов, перспективных в электроники и процессах катализа. Авторы стремились понять, как плазменное воздействие изменяет путь разложения соли и влияет на образование оксида CoFe2O4.
В ходе работы исследователи применили барьерный разряд, который обеспечивает равномерное воздействие на распыленный слой порошка. Сравнение двух режимов показало, что при мощности 25 Вт разложение остается неполным даже после нескольких циклов. При мощности 100 Вт наблюдается полное исчезновение характерного оранжевого цвета исходной соли, однако для завершения процесса требуется два цикла по десять минут с промежуточным перемешиванием.
Измерение температуры внутри реактора показало, что плазма инициирует экзотермическое разложение прекурсора примерно при 230 оС, после чего температура стабилизируется на уровне около 125 оС. Это подтверждает, что плазма запускает химическую реакцию, но после прохождения активной стадии процесс прекращает усиленно выделять тепло. Далее ученые нагрели обработанный образец при температурах от 300 до 1 000 оС. Полная однофазная структура феррита кобальта формировалась при температурах 900 и 1 000 оС.
Авторы отмечают, что комбинация плазменной обработки и последующего термолиза позволяет получать однофазную шпинель CoFe2O4 с контролируемой структурой при более мягких условиях, чем при классических методах промышленного и лабораторного синтеза. Результаты исследования показывают, что плазма значительно снижает содержание органических фаз в исходном прекурсоре, ускоряет разрушение координационных связей и формирует предпосылки для более точного и энергоэффективного синтеза оксидов.