В статье описан способ синтеза наночастиц магнетита методом соосаждения, их физико-химические свойства и фотокаталитическая активность. Полученный коллоидный раствор имеет максимум поглощения при длине волны 320 – 350 нм, что соответствует наночастицам магнетита. Размеры синтезированных наночастиц составляют 30 – 50 нм, что подтверждено результатами сканирующей электронной микроскопии. Указанный размерный диапазон позволяет отнести полученные наночастицы магнетита к ферримагнетикам. Исследования фотокаталитической активности наночастиц показали разложение красителя метиленового голубого в концентрации 0,01 – 0,025 г/л в течение 20 мин. Магнитные свойства полученных наночастиц подтверждены физическим экспериментом с магнитом.
нанотехнологии, наночастицы, магнетит, магнитные свойства, фотокаталитическая активность, оксид железа (II, III), β-циклодекстрин, желатин
Введение
Нанотехнологии постепенно становятся неотъемлемой частью мировой промышленности. Особенно стремительно этот процесс идёт в развитых странах, где за последние десять лет нанотехнологические продукты уверенно заняли свои позиции на рынке. Столь динамичный прогресс в области нанонауки свидетельствует о том, что в обозримом будущем нанотехнологии станут неотъемлемой частью большинства научных и технических направлений.
В настоящее время наноматериалы находят потенциальное применение в компьютерной индустрии (более производительные и миниатюрные чипы), в технологиях обработки информации, основанных на принципах квантовой механики, в медицине (адресная доставка лекарств, диагностика, восстановительная медицина), в сельском хозяйстве («умные» удобрения, датчики для мониторинга почвы), в пищевой промышленности (интеллектуальная упаковка, усовершенствованные консерванты, сенсоры свежести), в текстильной промышленности (самоочищающиеся и антимикробные ткани), в строительстве (сверхпрочные и самовосстанавливающиеся материалы, экологичный бетон), а также в очистке сточных вод, в автомобилестроении, энергетике, нефтегазовом и деревообрабатывающем секторах.
Ключевыми факторами, обеспечивающими столь широкое распространение, выступают: рост эффективности (улучшение механической прочности, срока службы, каталитической активности), уменьшение размеров устройств, повышение экологичности (снижение энергозатрат, разработка биоразлагаемых материалов, системы очистки воды и воздуха), возможность тонкой настройки свойств продуктов под конкретные задачи.
Тем не менее бурное развитие нанотехнологий сопровождается серьёзными проблемами, в том числе связанными с возможной токсичностью и долговременными последствиями воздействия наноматериалов на здоровье человека и окружающую среду. Для решения этих проблем необходим сбалансированный подход, объединяющий активные фундаментальные исследования и широкое взаимодействие между наукой, бизнесом и обществом. Это позволит максимально использовать преимущества нанотехнологий и снизить возможные риски [1].
Магнитные частицы в последние годы получили широкое распространение в различных научных и технических направлениях. Это в равной степени относится как к композитным частицам (полимерная матрица с включённым магнитным наполнителем), так и к частицам однородного состава, проявляющим магнитные свойства, таким как наночастицы железа [2], никеля [3], кобальта и их оксидов, ферриты других металлов в наноформе и др.
Наночастицы магнетита применяют в составе композитных систем (магнитонаполненные полимерные микросферы) в медицине и биотехнологии в процессах клеточной сепарации, адресной доставки лекарственных препаратов, очистки и выделения белков, иммобилизации ферментов, в магнитно-резонансной томографии, гипертермии, иммунодиагностике [2].
Кроме того, наночастицы магнетита могут применяться в очистке сточных вод от красителей, благодаря их высоким каталитическим свойствам и сорбционной способности. Ключевые каталитические процессы с участием наночастиц магнетита – фотохимические реакции и гетерогенные реакции типа Фентона [5]. В присутствии таких катализаторов устойчивые молекулы синтетических красителей разрушаются в результате окисления до простых конечных продуктов – воды, углекислого газа и неорганических солей. Этим данный подход принципиально отличается от адсорбции, при которой загрязнитель концентрируется на поверхности, а не разлагается.
Использование наночастиц магнетита в процессах очистки сточных вод имеет следующие преимущества: их можно регенерировать путем магнитной сепарации и использовать многократно [5]; они обладают высокой избирательностью при работе со смешанными загрязнениями; их применение позволяет снизить энергозатраты благодаря мягким условиям процесса (атмосферное давление, температура 20 – 40 °C). Такой подход не только обеспечивает очистку воды, но и сводит к минимуму образование токсичных вторичных отходов, что выгодно отличает его от традиционных химических методов нейтрализации.
Материалы и методы исследования
Для синтеза стабильных коллоидных растворов наночастиц магнетита Fe3O4 использовался химический метод соосаждения. В качестве прекурсоров использовали сульфат железа (II) FeSO4 и хлорид железа (III) FeCl3 (общая концентрация 0,002 – 0,006 моль/л), в качестве восстановителя – цитрат натрия Na3C6H5O7 (0,02 – 0,06 моль/л). Исследовали следующие стабилизаторы: β-циклодекстрин C42H70O35 – циклический олигосахарид, относящийся к классу макроциклических соединений; желатин – растворимая в воде смесь полипептидов, продукт гидролиза коллагена.
Для получения порошка наночастиц Fe3O4 проводили выпаривание полученных коллоидных растворов и дальнейшую термообработку в муфельной печи при 400 ºС.
Взвешивание проводили на аналитических весах с точностью до 10–4 г. Для проведения экспериментов использовалась магнитная мешалка с нагревом HPS-20D с мощностью 600 Вт и датчиком температуры.
Спектры поглощения коллоидных растворов измеряли с использованием спектрофотометра УФ-6700 в диапазоне длин волн 300 – 700 нм.
Качественную оценку размеров наночастиц магнетита проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6390 LA (Япония) с максимальным разрешением в режиме высокого вакуума 3 нм.
Для определения фотокаталитической активности раствор красителя метиленового голубого концентрации 0,01, 0,025 г/л смешивали с коллоидным раствором наночастиц магнетита в соотношении 9 : 1 и выдерживали под действием ультрафиолетового облучателя УФО-В (спектр излучения 230 – 400 нм, мощность 125 Вт/час, сила света 500 кД) или дневного освещения в течение 20 мин. При исследовании свойств наночастиц магнетита в форме порошка вводили 0,05 г наночастиц на 10 мл раствора красителя.
Результаты исследования и их обсуждение
На рисунках 1 и 2 представлены электронные спектры поглощения синтезированных коллоидных растворов наночастиц магнетита, стабилизированных β-циклодекстрином и желатином в концентрации 0,1 %, соответственно.
Рисунок 1 – Электронные спектры поглощения коллоидных растворов наночастиц магнетита при концентрации прекурсоров FeSO4 и FeCl3 (моль/л): 1 – 0,002; 2 – 0,003; 3 – 0,004; 4 – 0,005; стабилизатор – β-циклодекстрин 0,1 %
Рисунок 2 – Электронные спектры поглощения коллоидных растворов наночастиц магнетита при концентрации прекурсоров FeSO4 и FeCl3 (моль/л): 1 – 0,002; 2 – 0,003; 3 – 0,004; 4 – 0,005; стабилизатор – желатин 0,1 %
Максимумы поглощения находятся в диапазоне λ = 320 – 350 нм, что соответствует спектрам поглощения наночастиц магнетита (Рис. 1) и коррелирует с данными других литературных источников [10]. При указанной длине волны проявляется эффект поверхностного плазмонного резонанса наночастиц магнетита, связанный с колебаниями электронов проводимости в материале при взаимодействии с электромагнитным излучением. Наиболее оптимальной является концентрация прекурсоров 0,002 моль/л (Рис. 1 и 2) – кривые поглощения имеют более узкий максимум, что косвенно указывает на более узкое распределение наночастиц по размерам. По истечении 1 месяца наблюдалась агрегация частиц в растворе, стабилизированном желатином. β-циклодекстрин проявил наилучшее стабилизирующее действие – коллоидные растворы стабильны в течение не менее 5 месяцев.
Для определения размеров и формы частиц проведены исследования с использованием сканирующего электронного микроскопа. На рисунке 3 представлены микрофотографии наночастиц магнетита, сорбированных тканью из хлопчатобумажных и полиамидных волокон.
а б
Рисунок 3 – Микрофотографии наночастиц магнетита:
а – концентрация прекурсоров 0,002 моль/л (увеличение х65000),
б – концентрация прекурсоров 0,004 моль/л (увеличение х60000)
Рисунок 4 – Электронные спектры поглощения растворов метиленового голубого:
1 – исходный раствор 0,01 г/л; 2, 3 – раствор 0,01 г/л после фотокаталитического разложения под действием дневного освещения и УФ-лампы, соответственно;
4 – исходный раствор 0,025 г/л; 5, 6 – раствор 0,025 г/л после фотокаталитического разложения под действием дневного освещения и УФ-лампы, соответственно
Синтезированные наночастицы Fe3O4 имеют сферическую форму и размеры в диапазоне 30–50 нм, что позволяет отнести их к ферримагнетикам [11].
Магнитные свойства полученных наночастиц подтверждены физическим экспериментом с магнитом.
Фотокаталитическая активность синтезированных наночастиц магнетита в форме коллоидных растворов (Рис. 4) и порошков (Рис. 5, 6) подтверждена реакцией разложения красителя метиленового голубого (0,01 г/л, 0,025 г/л) под воздействием УФ-излучения или дневного освещения в течение 20 мин.
На рисунке 4 представлены электронные спектры поглощения растворов метиленового голубого до (кривые 1 и 4) и после фотокаталитического разложения с применением коллоидных растворов наночастиц магнетита (кривые 2, 3, 5, 6).
После введения раствора наночастиц магнетита в раствор красителя концентрации 0,01 и 0,025 г/л и облучения наблюдается снижение максимума поглощения при длине волны 600–605 нм (ΔA ~ 0,5), характерного для частиц используемого красителя, что свидетельствует о фотокаталитической активности синтезированных наночастиц.
На рисунках 5 и 6 представлены фотографии и электронные спектры поглощения растворов метиленового голубого до (Рис. 6, кривая 1) и после фотокаталитического разложения с применением порошка наночастиц магнетита (Рис. 6, кривые 2, 3).
а б в
Рисунок 5 – Раствор красителя метиленового голубого в концентрации 0,01 г/л после добавления порошка наночастиц магнетита:
а – исходный раствор красителя; б, в – раствор красителя с наночастицами магнетита до и после облучения УФ-лампой
Как видно из рисунка 5, после введения порошка наночастиц магнетита в течение минуты краситель частично абсорбировался на поверхности наночастиц. После экспозиции в течение 20 минут в условиях УФ-излучения и дневного освещения краситель подвергается окислительной деструкции до простых продуктов.
Рисунок 6 – Электронные спектры поглощения растворов метиленового голубого:
1 – исходный раствор 0,01 г/л; 2,3 – раствор 0,01 г/л после фотокаталитического разложения под действием дневного освещения и УФ-лампы, соответственно
На рисунке 6 наблюдается снижение максимума поглощения при длине волны 605 нм (ΔA ~ 0,6), характеризующего частицы красителя, что несколько больше по сравнению с коллоидными растворами (рис. 4, ΔA ~ 0,5).
Заключение
Получены коллоидные растворы наночастиц магнетита Fe3O4 путем соосаждения сульфата железа (II) FeSO4 и хлорида железа (III) FeCl3. Наиболее оптимальной является концентрация прекурсоров 0,002 моль/л. β-циклодекстрин в концентрации 0,1 % показал высокие стабилизирующие свойства – коллоидные растворы сохранили стабильность в течение не менее 5 месяцев.
Максимумы спектров поглощения полученных растворов находятся в диапазоне λ = 320 – 350 нм, что соответствует эффекту поверхностного плазмонного резонанса наночастиц магнетита, связанному с колебаниями электронов проводимости в материале при взаимодействии с электромагнитным излучением. Синтезированные наночастицы Fe3O4 имеют сферическую форму и размеры в диапазоне 30 – 50 нм, что позволяет отнести их к ферримагнетикам.
Исследования фотокаталитической активности наночастиц показали разложение красителя метиленового голубого в концентрации 0,01 – 0,025 г/л в течение 20 мин.
Магнитные свойства полученных наночастиц подтверждены физическим экспериментом с магнитом.
1. Malik, S. Nanotechnology: A Revolution in Modern Industry / S. Malik, K. Muhammad, Y. Waheed // Molecules. – 2023. – Vol. 28, Iss. 2. – Art. No. 661. – DOI:https://doi.org/10.3390/molecules28020661.
2. Куклина, А. С. Наночастицы магнетита: методы получения и свойства (литературный обзор) / А. С. Куклина // Modern Science. – 2019. – № 6–2. – С. 8-12.
3. Егунова, О. Р. Магнитные наночастицы магнетита в разделении и концентрировании / О. Р. Егунова, Т. А. Константинова, С. Н. Штыков // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. – 2014. – Т. 14, № 4. – С. 27-32. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/magnitnye-nanochastitsy-magnetita-v-razdelenii-i-kontsentrirovanii (дата обращения: 03.04.2026).
4. Гервальд, А. Ю. Синтез суперпарамагнитных наночастиц магнетита / А. Ю. Гервальд, Н. И. Прокопов, Ю. М. Ширякина // Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. – 2010. – Т. 5, № 3. – С. 45-49. – URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=15126825 (дата обращения: 03.04.2026).
5. Mbuyazi, T. B. Photocatalytic Degradation of Organic Dyes by Magnetite Nanoparticles Prepared by Co-Precipitation / T. B. Mbuyazi, P. A. Ajibade // International Journal of Molecular Sciences. – 2024. – Vol. 25, No. 14. – Art. No. 7876. – DOI:https://doi.org/10.3390/ijms25147876.
6. Мешкова, А. Д. Методы получения наночастиц железа / А. Д. Мешкова, О. И. Оксененко // Научный журнал. – 2021. – № 3 (58). – С. 14-19. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-polucheniya-nanochastits-zheleza (дата обращения: 04.04.2026).
7. Чеканова, А. Е. Биосовместимые магнитные наноматериалы на основе оксида железа (III) : автореф. дис. на соискание ученой степени канд. хим. наук: 02.00.01 / Чеканова Анастасия Евгеньевна. – Москва, 2008. – 23 с.
8. Зеленый синтез наночастиц оксидов металлов / Т. И. Шабатина, А. Бозе, О. И. Верная, Я. А. Громова, М. Я. Мельников // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. – 2025. – Т. 66, № 6. – С. 447-468. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/zelenyy-sintez-nanochastits-oksidov-metallov (дата обращения: 04.04.2026).
9. Абилкосимова, Г. М. Магнитные наночастицы: получение, стабилизация, применение / Г. М. Абилкосимова, Д. М. Аронбаев, С. Д. Аронбаев // Universum: химия и биология. – 2024. – № 4 (118). – С. 33-42. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/magnitnye-nanochastitsy-poluchenie-stabilizatsiya-primenenie (дата обращения: 04.04.2026).
10. Phytochemical-Assisted Synthesis of Fe3O4 Nanoparticles and Evaluation of Their Catalytic Activity / R. Khatun, M. S. A. Mamun, S. Islam, N. Khatun, M. Hakim, M. S. Hossain, P. K. Dhar, H. R. Barai // Micromachines. – 2022. – Vol. 13, No. 12. – Art. No. 2077. – DOI:https://doi.org/10.3390/mi13122077.
11. Возможности применения наночастиц оксида железа в проведении гипертермии / С. В. Безукладова, В. Ю. Науменко, А. Г. Акопджанов, Н. Л. Шимановский // Международный научно-исследовательский журнал. – 2013. – № 4 (11), Ч. 1. – С. 36-39. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vozmozhnosti-primeneniya-nanochastits-oksida-zheleza-v-provedenii-gipertermii/viewer (дата обращения: 10.04.2026).
