자기 유도 가열을 통해 합성된 자성 탄소 Fe3O4 나노복합체

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7244(2023) 이 기사 인용

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이 기사에 대한 저자 수정 사항은 2023년 6월 1일에 게시되었습니다.

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자철광 나노입자의 자기 유도 가열(MIH)은 탄소 기반 자성 나노복합체의 새로운 합성 절차로 사용됩니다. 자성 나노입자(Fe3O4)와 과당(1:2 중량비)을 기계적으로 혼합하고 RF 자기장(305kHz)에 적용했습니다. 나노입자에 의해 발생된 열은 설탕의 분해와 비정질 탄소 매트릭스의 형성으로 이어집니다. 평균 직경 크기가 20nm와 100nm인 두 세트의 나노입자를 비교 분석했습니다. 구조적(X선 회절, 라만 분광학, 투과 전자 현미경(TEM)), 전기 및 자기(비저항, SQUID 자기 측정법) 특성화는 MIH 절차를 통해 나노입자 탄소 코팅을 확인합니다. 탄소질 분획의 백분율은 자성 나노입자의 자기 가열 용량을 조절하여 적절하게 증가된다. 이 절차를 통해 최적화된 특성을 지닌 다기능 나노복합체를 합성하여 다양한 기술 분야에 적용할 수 있습니다. 특히, 20 nm Fe3O4 나노입자를 포함하는 탄소 나노복합체를 사용하여 수성 매질에서 Cr(VI) 제거가 제시됩니다.

매트릭스의 크기 중 하나 이상이 100nm 미만인 다상 재료로 정의되는 나노복합체는 수십 년 동안 광범위하게 연구되어 온 나노재료 종류를 나타냅니다1. 특히, 이들의 다기능 특성은 광범위한 기술 응용 분야를 포괄하는 다양한 분야에 적용할 수 있는 가능성을 제공합니다. 특정 촉매, 자기, 전자 및 광학 특성과 표면 기능을 갖춘 다양한 요소의 조합으로 탁월한 최적화 성능을 얻을 수 있습니다. 이러한 시스템 중에서 자성 탄소 나노복합체가 눈에 띕니다2,3,4,5,6. 자성 나노입자를 탄소로 코팅하면 원하는 다기능을 제공할 뿐만 아니라 열적, 화학적 안정성, 내산화성을 향상시켜 생체 적합성과 높은 비표면적을 보장합니다. 탄소 표면의 작용기를 적절하게 제어하면 매우 효율적인 오염 물질 흡착제, 약물 전달 및 암 치료를 위한 나노캐리어가 생성되고 리튬 배터리의 전기촉매 또는 에너지 저장 구성요소로서 나노복합체 성능이 최적화됩니다. 또한 자기 코어는 자기 분리(오염 물질 흡착제의 회수 및 재활용), 생체 의학 응용(온도 보조 약물 전달, 자기 고열, 이미지 대비제) 또는 마이크로파 전자기 흡수제 및 필터 등 나노복합체 기능을 확장합니다.

탄소 기반 나노 구조의 제조에는 다양한 화학 공정이 사용될 수 있으며, 대부분은 고온에서 선택된 전구체의 열 처리(예: 열수/용매열 방법, 열분해 절차, 졸-겔 공정)를 기반으로 합니다. 그러나 비열복사 가열 절차도 나노물질과 나노복합체를 합성하는 효율적인 기술로 연구되고 분석되었습니다8. 이러한 기술(예: 마이크로파 가열, 레이저 가열, 줄 가열 또는 자기 유도 가열)에서는 외부 열이 매체를 통해 물체에 전달되는 전통적인 열 처리와 달리 물체 내부에서 열이 직접적으로 국부적으로 생성됩니다.

특히, 자기 유도 가열(MIH)은 금속(전도성) 요소9에 AC 자기장을 적용할 때 와전류 생성과 관련된 가열을 기반으로 하는 전통적인 금속 도구입니다. 줄 가열은 매우 높은 온도에서 몇 초 내에 거의 즉각적으로 가열됩니다. 그러나 지난 수십 년 동안 자성 나노입자(MNP)가 RF 자기장(자기 고열)에 노출될 때 자기 히스테리시스, 이완 및 공명 과정과 연결된 나노히터 역할을 할 수 있다는 것이 잘 알려져 있고 광범위하게 보고되었습니다. 지난 수십 년 동안 생물의학 분야(약물 전달 및 암 치료)에 적용하기 위해 많은 노력을 기울였습니다12,13. 그러나 새로운 나노복합체 합성과 같은 다른 기술 분야에서의 적용은 문헌에서 거의 분석되지 않았습니다. 특히, AC 자기장 하에서 MNP의 열 발생은 금속 산화물 전구체 겔 하소, 금속-유기 골격의 성장 제어, Ru 수소화 나노촉매 또는 최적화된 자성 산화철 나노입자를 소성하는데 사용될 수 있습니다.