MİKRODALGA YÖNTEMİYLE NİKEL FERRİT NANOPARTİKÜLLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU

Transkript

1 MİKRODALGA YÖNTEMİYLE NİKEL FERRİT NANOPARTİKÜLLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU Zeynep KARCIOĞLU KARAKAŞ a,*, Recep BONCUKÇUOĞLU a, Mehmet ERTUĞRUL b a Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Erzurum b Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Erzurum * Sorumlu Yazar: kzeynep@atauni.edu.tr ÖZET Nano boyutta malzemelerin sentezlenme yöntemi, malzemelerin yapısal ve manyetik özellikleri üzerinde en etkili parametrelerden birisidir. Sentez için seçilen yöntem, sentezlenecek maddenin türüne göre de değişiklik göstermektedir. Sentez yöntemi, sentez için kullanılan kimyasal maddeler, homojen dağılım ve oksit tozlarının reaksiyona girebilmeleri gibi önemli parametreler, nano boyutlu malzemelerin istenilen standartlarda elde edilebilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışma kapsamında Mikrodalga yöntemiyle Nikel ferrit nano partiküller sentezlenmiş ve bu partiküllerin karakterizasyonu için XRD ve TEM analizleri yapılmıştır. Nanopartiküllerin ortalama tane çapı Scherrer eşitliği kullanılarak hesaplanmış ve 50 nm olarak bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Nanopartikül, nikel ferrit, mikrodalga metodu 1.GİRİŞ Malzemelerin temel özelliklerinin nanometre boyutuna indirgendiğinde önemli ölçüde değiştiği bilinen bir gerçektir. Nanopartiküller, molekül ve bulk katı hal arasında bir boyuta sahip olduklarından aynı malzemenin mikro veya milimetre boyutlarıyla kıyaslandığında eşsiz elektrik, optik, mekanik ve magnetik özellikler sergilerler. Bu özelliklerden bazıları; düşük erime noktası, yüksek katı-katı faz geçiş basıncı, yüksek difüzyon katsayısı ve değişik termofiziksel özelliklerdir. Prensipte, çok ince taneli polikristalli malzemeleri üretmek için kullanılan her metot nanokristalli malzeme üretmek içinde kullanılabilir. Nanopartiküllerin üretiminde birçok farklı metot kullanılmaktadır. Bunlar arasında gaz faz yoğunlaşma metodu, lazer ablasyon metodu, ark plazma metodu, kimyasal buhar yoğunlaştırma metodu, mikrodalga plazma metodu, çözeltiden çöktürme metodu, mekanik alaşımlama ve sol-jel metodu yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha sağlam, daha kaliteli, daha uzun ömürlü ve daha ucuz, daha hafif, daha küçük cihazlar geliştirme isteği birçok iş kolunda gözlenen eğilimlerdir. Minyatürleşme olarak tanımlanabilecek bu eğilim birçok mühendislik çalışmasının temelini oluşturmaktadır. Minyatürleşme sadece kullanılan parçaların daha az yer kaplamasından çok daha önemli getirileri vardır. Minyatürleşme üretimde daha az malzeme, daha az enerji, daha ucuz ve kolay nakliye, daha çok fonksiyon ve kullanımda kolaylık olarak uygulamada kendini göstermektedir.20. yüzyılın ikinci yarısından itibaren birçok endüstride kullanılan toleranslar sürekli iyileştirilmiş, üstün kalite anlayışı geliştirilmiştir. Mikro teknoloji ürünü olarak tanımlayabileceğimiz parçalar otomobil, elektronik, iletişim gibi sektörlerde yaygın olarak kullanılır olmuştur. Günümüzde ise mikro teknolojilerden daha çok nano teknolojinin, 1

2 kullanımını yaygınlaşmaktadır. Nano teknoloji sayesinde sanayide, bilişim teknolojilerinde, sağlık sektöründe ve daha birçok alanda yeni ürünler geliştirilecek, günümüzün üretim süreçleri ve yöntemleri değişecektir. Bu teknolojiye yatırım yapılan ülkelerde ekonomik değerler yaratılacak ve toplumların yaşam kalitesi gelişecektir. Nano teknolojinin gelecekte birçok uygulama alanlarına sahip olacağı düşünülmektedir. Bu uygulama alanları Malzeme ve İmalat Sektörü, Nano Elektronik ve Bilgisayar Teknolojileri, Tıp ve Sağlık Sektörü, Havacılık ve Uzay Araştırmaları, Çevre ve Enerji, Bioteknoloji ve Tarım, Savunma Sektörüdür. Bu çalışmada, bir çok kullanım alanı olan nikel ferrit nano partiküllerin Mikrodalga tekniği ile sentezlenmesi incelenmiştir. Bu amaçla farklı reaksiyon sürelerinde, denemeler yapılmış ve elde edilen ürünler çeşitli analiz teknikleri ile karakterize edilmiştir. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1. Mikrodalga Yakma Tekniği ile NiFe 2 O 4 Nanopartiküllerin Sentezi Bu çalışmada nikel nitrat hegza hidrat, demir (II) nitrat nona hidrat ve yakıt olarak kullanılacak olan kimyasal madde belirli stokiometrik oranlarda karıştırılmıştır. Mikrodalga sentezi yöntemi ile yapılan çalışmalarda, urea yakıt olarak kullanılmıştır. Hazırlanan karışım homojen bir çözelti ortamı sağlanıncaya kadar bir manyetik karıştırıcıda karıştırılmıştır. Daha sonra bu çözelti ev tipi bir mikrodalga fırına yerleştirilmiştir. Yaklaşık 800 Watt güç uygulanmış ve belirli sürelerde denemeler yapılmıştır. Fırın içersinde, reaksiyon gerçekleşirken, yüksek alevli yanma ve yoğun gaz çıkışı gözlemlenmiştir. Reaksiyon için gerekli sürenin tamamlanmasından sonra oluşan katı ürün sistemden alınmıştır. Bu denemelerde mikrodalga uygulama süresinin nanopartiküllerin ortalama tanecik boyutu, kristal yapısı ve çeşitli yüzey özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen ürünlerde karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. X-Ray Analizleri İlk olarak uygun oranlarda karıştırılan karışım bir mikrodalga fırınına konularak mikrodalga etkisi altında reaksiyona tabi tutulmuştur. Yaklaşık beş dakikalık sürenin ardından sistemden alınmıştır. İşlem sırasında fırın içerisinde yanma gözlemlenmiştir. Sistemden alınan siyah renkteki, katı ve iri taneli toz haldeki madde iyice öğütüldükten sonra XRD analizi yapılmıştır. 2

3 Şekil 1. Farklı mikrodalga uygulama zamanlarında elde edilen katıların X-Ray difraktogramları Şekilde verilen X-Ray difraktogramları incelendiğinde 5 dak lık denemeden elde edilen örneğin X-Ray difraktogramında net bir pik gözlemlenememiştir. Bu işlemde, reaksiyon meydana gelmesine rağmen, düzenli bir kristal yapı elde edilemediği için pik oluşumu gözlemlenememiştir. Daha düzenli bir kristal yapı elde edebilmek amacıyla uygulanan mikrodalga işlemi süresi arttırılmıştır. Bu amaçla 10 ve 20 dakikalık denemeler yapılmıştır. Bu denemelerden elde edilen örnekler yine öğütüldükten sonra XRD analizleri yapılmıştır. Bu analiz sonuçları incelendiğinde 10 dakikada elde edilen katının kristal yapısında net bir değişim gözlemlenmemiştir. 20 dakikalık deneme süresi sonunda ise çok küçük piklerin oluştuğu gözlemlenmiştir. Buna göre uygulanan mikrodalga süresinin kristal yapı ve dönüşüm üzerinde olumlu etkisi olduğu düşünülmektedir. Fakat bu etki istenen seviyede olmamıştır. Oluşan pikler MDI Jade 6 yazılımı kullanılarak değerlendirilmiştir. Buna göre referans kartlarla yapılan karşılaştırma sonucunda bu piklerin standart NiFe 2 O 4 pikleri olduğu görülmüştür. SEM Analizi SEM analizleri örneklerin yapısal ve morfolojik özelliklerinin aydınlatılması amacıyla yapılmaktadır. Örnekler arasında kıyaslama yapabilmek ve uygulanan ısıl işlemin kristal yapı ve ortalama tane boyutu üzerindeki etkisi incelenmiştir. 3

4 Mikrodalga yöntemiyle üre kullanılarak yapılan NiFe 2 O 4 sentezi çalışmalarında 10 dakikalık deneme sonunda elde edilen katı maddeye ait SEM mikrofotografları Şekil 2 de verilmektedir. a) b) c) d) Şekil 2. Üre ile yapılan 10 dak lık deneyden elde edilen katının SEM görüntüleri Bu örneğe ait SEM görüntüleri incelendiğinde bu örneğin nano boyutlu partiküllerden oluştuğu görülmektedir. Görüntülerden ortalama tane boyutunun 50 nm civarında olduğu anlaşılmaktadır. Aynı örneğin XRD analizinde net bir pik oluşumu gözlemlenememiştir. Bu durum oluşan partiküllerin nano boyutta olmasına rağmen düzenli bir kristal yapıya sahip olmadığını göstermektedir. TEM Analizi TEM analizlerinde ise kristal yapı gözlemlenmiştir. TEM görüntüler incelendiğinde 10 nm nin altında tanecikler olduğuda görülmektedir. Kristal yapıda yer yer düzensizlikler görülmektedir. Ayrıca kristal taneciklerin etrafını saran amorf tabaka kristallerin atomik lattice yapılarının görüntülenmesi engellemektedir. NiFe 2 O 4 örneğinin TEM görüntüleri Şekil 3 de verilmiştir. 4

5 a b c d e f g h i Şekil 3. Mikrodalga yöntemiyle, 10 dakikalık denemeden elde edilen NiFe 2 O 4 nano partiküllerin TEM görüntüleri 3.SONUÇ Bu çalışmada mikrodalga yöntemi ile nikel ferrit nanopartiküllerin sentezlenmesi ve karakterizasyonlarının yapılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, 5, 10 ve 20 dak lık denemeler yapılmıştır. Elde edilen ürünlerde XRD analizleri yapılmıştır. Farklı mikrodalga uygulama zamanlarında yapılan denemelerden elde edilen katılara ait X-Ray difraktogramları Şekil 1 de verilmiştir. XRD analizlerinin sonuçlarında net bir pik gözlenemese de X-Ray difraktogramlarının MDI Jade 6 yazılımı ile yapılan incelemesinde standart NiFe 2 O 4 pikleri ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Bunun üzerine numunelerde SEM ve TEM analizleri yapılmıştır. Buna göre yapılan iki analiz de, elde edilen partiküllerin nano boyutlu olduğunu göstermektedir. Analiz sonuçlarına göre ortalama partikül boyutunun yaklaşık 50 nm olduğu görülmektedir. Bu sonuçlara göre mikrodalga uygulama zamanlarının kristal yapının iyileşmesi üzerinde etkili olmadığı görülmektedir. Bu örneklere farklı sıcaklıklarda 5

6 kalsinasyon işleminin uygulanmasının kristal yapı üzerinde olumlu bir etkiye sahip olacağı düşünülmektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışma Atatürk Üniversitesi 2011/402 no lu Bilimsel Araştırma projesi kapsamında yapılmıştır. Bu çalışmayı bir Bilimsel Araştırma projesi olarak kabul eden ve destekleyen Atatürk Üniversitesi Yönetimine, XRD analizleri için Karadeniz Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü ne ve son olarak SEM ve TEM analizleri için TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi ne teşekkür ederiz. 6