О термическом окислении и депассивации частиц железа в области зарождения и роста 1-мерных оксидных вискеров

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Исследованы процессы зарождения и роста металл-оксидных наноструктур при термическом оксидировании микрочастиц железа диаметром 0.5–1 мкм на стеклянной подложке в диапазоне температур 100°–600°С в нормальных атмосферных условиях. Согласно полученным экспериментальным результатам, состав оксидной оболочки, покрывающей частицы железа, существенно изменяется с изменением температуры отжига. Термообработка при 100°–300°С приводит к преимущественному образованию на поверхности частиц железа смеси Fe3O4 и γ-Fe2O3, с небольшим количеством α-Fe2O3, а отжиг при более высоких температурах приводит к дальнейшему окислению железа, а также фазовому превращению Fe3O4 и γ-Fe2O3 в наиболее термодинамически стабильную форму оксида железа α-Fe2O3. При термической обработке при 300°С и выше наблюдается локализация реакции формирования гематита: из сферических микрочастиц железа в радиальном направлении начинают расти 1-мерные нанонити гематита, что сопровождается депассивацией и ускорением роста оксидного слоя. Предположено, что причина роста наноусов гематита при окислении железа связана с автолокализацией топохимической реакции формирования маггемита на межфазной границе магнетит-гематит и механохимическим ускорением транспорта металла в растущие вискеры гематита за счет перепада внутренних напряжений в растущем оксидном слое.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. А. Котенев

Институт физической химии и электрохимии РАН им. А. Н. Фрумкина

Author for correspondence.
Email: kotenev2006@yandex.ru
Russian Federation, Москва, 105005, Ленинский пр., 31, к.4

References

  1. Ogale S.B. (ed.). Thin films and heterostructures for oxide electronics. – Springer Science & Business Media, 2005.
  2. Andrievskii R.A. // Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2013. V. 49. № 5. P. 528–540.
  3. Продан Е.А., Павлюченко М.М., Продан С.Л. Закономерности топохимических реакций. Минск: “Наука и техника”, 1976. 264 с.
  4. Popp J., & Mayerhöfer T. (Eds.). Micro-Raman Spectroscopy: Theory and Application. Walter de Gruyter GmbH & Co KG. 2020.
  5. Котенев В.А. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2023. Т. 59. № 1. С. 73–79.
  6. Kotenev V.A., Vysotskii, V.V. // Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2019, V. 55, P. 880–887.
  7. Kotenev V.A., Zhorin V.A., Kiselev M.R., Vysotskii V.V., Averin A.A., Roldugin V.I., Tsivadze A.Yu. // Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2014. V. 50. № 6. P. 792–796.
  8. Golgoon A., Aliofkhazrae M. , Toorani M. // Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2018. V. 54. P. 192–221.
  9. Петрунин М.А., Максаева Л.Б., Юрасова Т.А., Рыбкина А.А., Котенев В.А., Цивадзе А.Ю. // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2023. Т. 59. № 6. С. 670–680.
  10. Fu Y., Chen J. , Zhang J. // Chem. Phys. Lett. 2001. V. 350. P. 491.
  11. Kotenev V.A., Kiselev M.R., Vysotskii V.V., Averin A.A., Tsivadze A.Y. // Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2016. V. 52. № 5. P. 825–831.
  12. Jubb A.M., Allen H.C. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2010. V. 2. № 10. P. 2804–2812. https://doi.org/10.1021/am1004943.
  13. Bersani D., Lotticil P.P., Montenero A. // J. Raman Spectrosc. 1999. V. 30. P. 355–60.
  14. Srivastava M., Ojha A.K., Chaubey S. et al. // J. Alloys Compd. 2010. V. 500. P. 206.
  15. Gilbert D.A., Olamit J., Dumas R.K., et al. // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 11050.
  16. de Faria D.L.A., Venancio Silva S., De Oliveira M.T. // J. Raman Spectrosc. 1997. V. 28. P. 873–878.
  17. Martin T., Merlin R., Huffman D., Cardona M. // Solid State Commun. 1977. V. 22. P. 565–567.
  18. Xu Y.Y., Zhao D., Zhang X.J., Jin W.T., Kashkarov P., and Zhang H. // Physica E. 2009. V. 41. P. 806.
  19. McCarty K.F. // Solid State Communications. 1988. V. 68. P. 799.
  20. Chernyshova I.V., Hochella M.F. , Madden A.S. // Phys.Chem. Chem. Phys. 2007. V. 9. P. 1736.
  21. Hanesch M. // Int. J. Geophys. 2009. V. 177. P. 941–948.
  22. Wang C.M., Baer D.R., Amonette J.E. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131. P. 8824–8832. https://doi.org/10.1021/ja900353f.
  23. Жорин В.А., Киселев М.Р., Котенев В.А. // Prot. Met. Phys. Chem. Surf.. 2020. V. 56. № 4. In press.
  24. Stoia M., Istratie R., Pacurariu C. // J. Therm. Anal. Calorim. // Publ. on-line 24 March 2016, https://doi.org/10.1007/s10973–016–5393-y
  25. Khan U.S., Amanullah, Manan A. et al. // Materials Science-Poland. 2015. V. 3. P. 278–285.
  26. Mürbe J., Rechtenbach A., Töpfer J. // Materials Chemistry and Physics. 2008. V. 110. № 2–3. P. 426–433.
  27. Окисление металлов. Под ред. Бенара Ж.. М.: Металлургия. 1969. Т. 2. 444с.
  28. Sewell P.B., Cohen M. // J. Electrochem. Soc. 1964. V. 111. P. 508.
  29. Ramasubramainan N., Sewell P.B., Cohen M. // J. Electrochem. Soc. 1968. V. 115. N1. P. 12.
  30. Kotenev V.A., Sokolova N. P., Gorbunov A. M., A. Yu. Tsivadze // Protection of Metals. 2007. V. 43. № 6. P. 567–571.
  31. Cornell R.M., Schwertmann U. The iron oxides. Structure, properties, reactions, occurrences and uses. Weinheim, Germany: Wiley-VCH. 2003.
  32. Kotenev V.A. // Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2018. V. 54. P. 969–975.
  33. Velde B. and Couty R. // Journal of Non-Crystalline Solids. 1987. V. 94. P. 238–250.
  34. Lee J-H. // Sensors and Actuators. 2009. V. B140. P. 319–336.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Thermogravimetric analysis of oxidation processes of iron particle powder [22].

Download (135KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Metal-oxide iron corona particles obtained by thermal oxidation of iron particles at different temperatures: a – initial stages of depassivation at 300°C, b – oxidation at 600°C with developed growth of hematite “hair”.

Download (273KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Accumulated and smoothed Raman spectra of the oxide layer surface on a microsection of the sample (10*10 µm) obtained by programmed thermal oxidation at temperatures of 200°–600°C.

Download (359KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Change in the intensity of spectral lines of hematite α-Fe2O3 (221 cm–1), magnetite Fe3O4 (669 cm–1) and maghemite γ-Fe2O3 (740 cm–1) with the oxidation temperature of iron particles.

Download (115KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences