Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of SciencesVestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of SciencesВестник Дальневосточного отделения Российской академии наук0869-7698The Russian Academy of Sciences67604610.31857/S0869769824010087legujgChemical Sciences. Advanced materialsХимические науки. Перспективные материалыResearch ArticleCoF2/C/CF/PTFE nanocomposite synthesized in plasma, nanodispersed Co3O4 obtained from it and their magnetic propertiesСинтезированный в плазме нанокомпозит CoF2/C/CF/PTFE, полученный из него нанодисперсный Co3O4 и их магнитные свойстваhttps://orcid.org/0000-0002-7129-8129KuryavyiValeriy G.КурявыйВалерий Георгиевич
Russian Federation

Candidate of Sciences in Chemistry, Senior Researcher

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

kvg@ich.dvo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1770-1546TkachenkoIvan I.ТкаченкоИван Анатольевич
Russian Federation

Candidate of Sciences in Chemistry, Senior Researcher

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

tkachenko@ich.dvo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3945-9121ZverevGrigoriy A.ЗверевГригорий Александрович
Russian Federation

Candidate of Sciences in Chemistry, Researcher

кандидат химических наук, научный сотрудник

zverev@ich.dvo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4562-017XUstinovAleksandr Y.УстиновАлександр Юрьевич
Russian Federation

Doctor of Sciences in Physics and Mathematics, Professor

доктор физико-математических наук, профессор

all_vl@mail.ruInstitute of Chemistry, FEB RASИнститут химии ДВО РАН15022024111312528022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0869-7698/article/view/676046

The CoF2/C/CF/PTFE nanocomposite was synthesized in the plasma of a pulsed high-voltage discharge. CoF2 nanoparticles are distributed in two size ranges ~20–100 nm and ~3–10 nm. After calcining the composite, the nanodispersed powder was obtained consisting of Co3O4 nanoparticles with the same particle size distribution. SQUID magnetometry was used to study the temperature and field dependences of the magnetization of the samples in the range of 300–2 K. On the graphs of temperature dependences, for both types of samples, at two different temperatures, peak-like changes occur, attributed to the transitions of CoF2 or Co3O4 nanoparticles, with decreasing temperature, in antiferromagnetic state. The transition temperature TN was estimated from the peak maxima. The existence of two transition temperatures is explained by size effects, taking into account the distribution of particle sizes in two different ranges. At temperatures below TN, a shift of the magnetic hysteresis loops to the region of negative fields was found, which is due to the AFM/FM interaction between the core and shell of nanoparticles. For both types of samples, there is a hysteresis in the temperature dependences of FC and ZFC. The manifestation of hysteresis can be explained in the general case by the presence of the metastable state formed in an external magnetic field during the interaction of the magnetic moments of nanoparticles, in this case, arising due to the uncompensated spins on their surface. It is concluded that the effect of particle size on the shift of the transition temperature to the AFM state is more significant in CoF2 nanoparticles than in Co3O4 nanoparticles.

В плазме импульсного высоковольтного разряда синтезирован нанокомпозит CoF2/C/CF/PTFE. Наночастицы CoF2 распределены в двух размерных диапазонах ~20–100 нм и ~3–10 нм. После прокаливания композита получен нанодисперсный порошок, состоящий из наночастиц Co3O4, с таким же распределением частиц по их размерам. Методом СКВИД магнитометрии изучены температурные и полевые зависимости намагниченности образцов в диапазоне 300–2 K. На графиках температурных зависимостей для обоих типов образцов при двух различных температурах происходят пикообразные изменения, отнесенные к переходам наночастиц CoF2 или Co3O4 при понижении температуры в антиферромагнитное состояние. По максимумам пиков оценивалась температура перехода TN. Существование двух температур перехода объясняется размерными эффектами, с учетом распределения размеров частиц в двух различных диапазонах. При температурах ниже TN обнаружено смещение петель магнитного гистерезиса в область отрицательных полей, обусловленное АФМ/ФМ взаимодействием ядра и оболочки наночастиц. Для обоих типов образцов имеет место гистерезис температурных зависимостей FC и ZFC. Проявление гистерезиса может быть объяснено в общем случае наличием метастабильного состояния, формирующегося во внешнем магнитном поле при взаимодействии магнитных моментов наночастиц, в данном случае возникающих из-за нескомпенсированности спинов на их поверхности. Сделан вывод, что влияние размеров частиц на величину сдвига температуры перехода в АФМ состояние более значительно в наночастицах CoF2, чем в наночастицах Co3O4.

plasma chemistryPTFEnanoparticlesCoF2Co3O4magnetizationphase transitionsплазмохимияПТФЭнаночастицыCoF2Co3O4намагниченностьфазовые переходыThe work was carried out within the framework of the state task of the Institute of Chemistry, Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, topic N0205-2022-0003.Работа выполнена в рамках государственного задания Института химии ДВО РАН, тема № 0205-2022-0003.Kuryavyi V. G., Buznik V. M., Ustinov A. Yu., Sukhoverkhov S. A., Pavlov A. D., Slobodyuk A. B., Tkachenko I. A., Kvach A. A., Kaidalova T. A. Nanocomposite Synthesized in Plasma of Pulse High-Voltage Discharge Initiated between Copper Electrodes in the Presence of Fluoroplast. Inorganic Materials: Applied Research. 2019;10(1):184–194.Kuryavyi V. G., Buznik V. M., Ustinov A. Yu., Sukhoverkhov S. A., Pavlov A. D., Slobodyuk A. B., Tkachenko I. A., Kvach A. A., Kaidalova T. A. Nanocomposite Synthesized in Plasma of Pulse High-Voltage Discharge Initiated between Copper Electrodes in the Presence of Fluoroplast // Inorg. Mater. Appl. Res. 2019. Vol. 10, N1. P. 184–194.Kuryavyi V. G., Zverev G. A., Tkachenko I. A., Slobodyuk A. B., Gerasimenko A. V., Ustinov A. Yu., Bouznik V. M. Nanocomposite Obtained in the Plasma of a Pulsed High Voltage Discharge Using Nickel Electrodes and PTFE. Advanced Nano Research. 2021:1(1):10–26.Kuryavyi V. G., Zverev G. A., Tkachenko I. A., Slobodyuk A. B., Gerasimenko A. V., Ustinov A. Yu., Bouznik V. M. Nanocomposite Obtained in the Plasma of a Pulsed High Voltage Discharge Using Nickel Electrodes and PTFE // Adv. Nano Res. 2021. Vol. 1, iss. 1. P. 10–26.Opra D. P., Gnedenkov S. V., Sokolov A. A., Kuryavyi V. G., Ustinov A. Yu., Kaidalova T. A., Sinebryukhov S. L. Nanostructured composite FeOF–FeF3 as anode material for Li-ion battery: the original method of pulsed high-voltage discharge. Solid State Phenomena. 2016; 245:109–115.Opra D. P., Gnedenkov S. V., Sokolov A. A., Kuryavyi V. G., Ustinov A. Yu., Kaidalova T. A., Sinebryukhov S. L. Nanostructured composite FeOF–FeF3 as anode material for Li-ion battery: the original method of pulsed high-voltage discharge // Solid State Phenomena. 2016. Vol. 245. P. 109–115.Kuryavyi V. G., Bouznik V. M., Ustinov A. Yu., Lukiyanchuk I. V., Pavlov A. D. Nanodispersed Pt/C catalyst and nanosized polytetrafluoroethylene fabricated after treatment of PTFE F4 in pulse high-voltage discharge plasma Vestnik of the FEB RAS. 2016;(6):41–47. (In Russ.).Курявый В. Г., Бузник В. М., Устинов А. Ю., Лукиянчук И. В., Павлов А. Д. Нанодисперсный Pt/C катализатор и наноразмерный ПТФЭ, полученные после обработки ПТФЭ Ф4 в плазме импульсного высоковольтного разряда // Вестн. ДВО РАН. 2016. № 6. С. 41–47.Kuryavyi V. G., Pavlov A. D., Suhoverhov S. V., Slobodyuk A. B., Zverev G. A., Bouznik V. M. Transformations of a fluoroplastics substance during the processing of fluoroplast in a plasma of the pulsed high-voltage discharge and subsequent calcination. Vestnik of the FEB RAS. 2022;(6):66–76. (In Russ.).Курявый В. Г., Павлов А. Д., Суховерхов С. В., Слободюк А. Б., Зверев Г. А., Бузник В. М. Преобразования фторопластового вещества при обработке фторопласта в плазме импульсного высоковольтного разряда и при последующем прокаливании // Вестн. ДВО РАН. 2022. № 6. С. 66–76.Astrov D. N., Borovik-Romanov A.S., Orlova M. P. Magnetic properties of cobalt fluoride in the antiferromagnetic state. Journal of Experimental and Theoretical Physics. 1957; 33:812–815.Astrov D. N., Borovik-Romanov A.S., Orlova M. P. Magnetic properties of cobalt fluoride in the antiferromagnetic state // J. Exp. Theor. Phys. 1957. Vol. 33. P. 812–815.Salah A. Makhlouf. Magnetic properties of Co3O4 nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2002; 246:184–190.Salah A. Makhlouf. Magnetic properties of Co3O4 nanoparticles // J. Magnetism and Magnetic Mater. 2002. Vol. 246. P. 184–190.Roth W. L. The magnetic structure of Co3O4. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1964;25(1):1–10.Roth W. L. The magnetic structure of Co3O4 // J. Phys. Chem. Solids. 1964. Vol. 25, iss. 1. P. 1–10.Zhu H. T., Luo J., Liang J. K., Rao G. H., Li J. B., Zhang J. Y., Du Z. M. Synthesis and magnetic properties of antiferromagnetic Co3O4 nanoparticles. Physica B: Condensed Matter. 2008;403(18):3141–3145.Zhu H. T., Luo J., Liang J. K., Rao G. H., Li J. B., Zhang J. Y., Du Z. M. Synthesis and magnetic properties of antiferromagnetic Co3O4 nanoparticles // Physica B: Condensed Matter. 2008. Vol. 403, iss. 18. P. 3141–3145.Benitez M. J., Petracic O., Tuysuz H., Schuth F., Zabel H. Decoupling of magnetic core and shell contributions in antiferromagnetic Co3O4 nanostructures. EPL. 2009;88. 27004.Benitez M. J., Petracic O., Tuysuz H., Schuth F., Zabel H. Decoupling of magnetic core and shell contributions in antiferromagnetic Co3O4 nanostructures // EPL. 2009. Vol. 88. 27004.Vilakazi B. M. A thermogravimetric investigation into the synthesis of cobalt fluoride. Pretoria; 2018. 105 p.Vilakazi B. M. A thermogravimetric investigation into the synthesis of cobalt fluoride. Pretoria, 2018. 105 p.Mitkin V. N. Types of inorganic fluorocarbon polymer materials and structure–property correlation problems. Journal of Structural Chemistry. 2003;44(1):82–115.Mitkin V. N. Types of inorganic fluorocarbon polymer materials and structure–property correlation problems // J. Struct. Chem. 2003. Vol. 44, N1. P. 82–115.Bouznik V. M., Fomin V. M., Alkhimov A. P. et al. Metallopolimernye kompozity: poluchenie, svoistva, primenenie = [Metal-polymer composites: obtaining, properties, application]. Novosibirsk: SB RAS; 2005. 260 s. (In Russ.).Бузник В. М., Фомин В. М., Алхимов А. П. и др. Металлополимерные композиты: получение, свойства, применение. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 260 с.Andreev M. N., Rebrov A. K., Safonov A. I., Timoshenko N. I. Issledovanie processov osazhdeniya tonkih teflonovyh plenok gazostrujnym metodom. Vestnik NGU, Seriya: Fizika. 2007;2(4):65–62. (In Russ.).Андреев М. Н., Ребров А. К., Сафонов А. И., Тимошенко Н. И. Исследование процессов осаждения тонких тефлоновых пленок газоструйным методом // Вестн. НГУ. Серия: Физика. 2007. Т. 2, вып. 4. С. 65–62.Setton R., Bernier P, Lefrant S. Carbon molecules and materials. L.-N.Y.: Taylor and Francis; 2002. 489 p.Setton R., Bernier P., Lefrant S. Carbon molecules and materials. L.; N.Y.: Taylor and Francis, 2002. 489 p.Ferrari A. C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron-phonon coupling, doping and nonadiabatic effects. Solid State Communications. 2007;143(1/2):47–57.Ferrari A. C. Raman spectroscopy of graphene and graphite: Disorder, electron–phonon coupling, doping and nonadiabatic effects // Solid State Comm. 2007. Vol. 143, iss. 1/2. P. 47–57.Tuinstra F., Koenig J. Raman spectrum of graphite. Journal of Chemical Physics. 1970;53(3):1126–1130.Tuinstra F., Koenig J. Raman spectrum of graphite // J. Chem. Phys. 1970. Vol. 53, N3. P. 1126–1130.Meiklejohn W. H., Bean C. P. New magnetic anisotropy. Physical Review. 1956; 102:1413–1414.Meiklejohn W. H., Bean C. P. New magnetic anisotropy // Phys. Rev. 1956. Vol. 102. P. 1413–1414.Tang C. W., Wang C. B., Chien S. H. Characterization of cobalt oxides studied by FT-IR. Raman, TPR and TG-MS. 2008;473(1/2):68–73.Tang C. W., Wang C. B., Chien S. H. Characterization of cobalt oxides studied by FT-IR // Raman, TPR and TG-MS. 2008. Vol. 473, iss. 1/2. P. 68–73.Diallo A., Beye A. C., Doyle T. B., Park E., Maaza M. Green synthesis of Co3O4 nanoparticles via Aspalathus linearis: Physical properties. Green Chemistry Letters and Reviews. 2015;8(3/4):30–36.Diallo A., Beye A. C., Doyle T. B., Park E., Maaza M. Green synthesis of Co3O4 nanoparticles via Aspalathus linearis: Physical properties // Green Chem. Lett. Rev. 2015. Vol. 8, N3/4. P. 30–36.