Doklady ChemistryDoklady ChemistryДоклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах2686-95353034-5111The Russian Academy of Sciences69581610.7868/S3034511125040062PHYSICAL CHEMISTRYФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯResearch ArticleThe Effect of Cryochemical Synthesis Parameters of Iron Oxide Nanoparticles on Their Size, Structure and Magnetic PropertiesВлияние условий криохимического синтеза наночастиц оксидов железа на их размерно-структурные и магнитные параметрыShumilkinA. S.ШумилкинА. С.VernayaO. I.ВернаяО. И.ShabatinaT. I.ШабатинаТ. И.tatyanashabatina@yandex.ruShabatinA. V.ШабатинА. В.OvchenkovE. A.ОвченковЕ. А.PankratovD. A.ПанкратовД. А.MelnikovM. Ya.МельниковМ. Я.Lomonosov Moscow State University, Chemical Department, 119234 Moscow, Russian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет, 119234 Москва, РоссияBauman Moscow State Technical University, 105005 Moscow, Russian FederationМосковский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 105005 Москва, РоссияThe Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry of the Russian Academy of Sciences, 119071 Moscow, Russian FederationИнститут физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, 119071 Москва, РоссияLomonosov Moscow State University, Physical Department, 119234 Moscow, Russian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, 119234 Москва, РоссияMoscow Institute of Physics and Technology, 141700 Dolgoprudny, Russian FederationМосковский физико-технический институт, 141700 Долгопрудный, Россия150820255231VOL 523, NO (2025)ТОМ 523, № (2025)506005112025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/2686-9535/article/view/695816

In this work, cryochemical approaches are used to obtain nanoparticles of magnetic iron oxides of various compositions and morphologies. Cryochemical coprecipitation of iron(II) and (III) salts with an ammonia solution in the temperature range from –30 to –50°C leads to the formation of single-domain superparamagnetic maghemite nanoparticles with an average size of 6 ± 2 nm, which is smaller than the average particle size (20 ± 2 nm) obtained by the classical coprecipitation method. However, cryochemical coprecipitation leads to the formation of goethite impurity. Single-domain superparamagnetic magnetite nanoparticles with an average diameter of 10 ± 2 nm without goethite impurity can be obtained by cryochemical precipitation of iron(II) sulfate with ammonia in air. Thermal decomposition of cryomodified iron salts allows obtaining maghemite nanoparticles of 40–300 nm in size in the case of iron(III) acetylacetonate and iron(III) formate, as well as micron-sized maghemite and goethite particles of complex shape in the case of iron(III) ammonium citrate and iron(II) gluconate.

Криохимические подходы использованы для получения наночастиц магнитных оксидов железа различного состава и морфологии. Криохимическое соосаждение солей железа(II) и (III) раствором аммиака в интервале температур от –30 до –50°С приводит к формированию однодоменных суперпарамагнитных наночастиц маггемита со средним размером 6 ± 2 нм, что ниже среднего размера частиц (20 ± 2 нм), получаемых методом классического соосаждения. Однако криохимическое соосаждение приводит к образованию примеси гётита. Однодоменные суперпарамагнитные наночастицы магнетита со средним диаметром 10 ± 2 нм без примеси гётита могут быть получены криохимическим осаждением сульфата железа(II) аммиаком на воздухе. Термическое разложение криомодифицированных солей железа позволяет получить наночастицы маггемита размером 40–300 нм в случае ацетилацетоната железа(III) и формиата железа(III), а также микронные частицы маггемита и гётита сложной формы в случае аммоний цитрата железа(III) и глюконата железа(II).

cryochemical synthesissingle-domain magnetic nanoparticlesmaghemitemagnetiteiron saltscryoprecipitationкриохимический синтезоднодоменные магнитные наночастицымаггемитмагнетитсоли железакриоосаждениеРаботы по криохимическому синтезу выполнены по теме № АААА-А21-121011590090-7 государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова. Мёссбауэровские исследования выполнены в соответствии с государственным заданием МГУ имени М.В.  Ломоносова №122040600057-3.Tiberto P., Barrera G., Celegato F., Coïsson M., Chiolerio A., Martino P., Pandolfi P., Allia P. // Eur. Phys. J. 2013. V. 86. № 173. P. 10–15. https://doi.org/10.1140/epjb/e2013-30983-8Трахтенберг Л., Герасимов Г., Григорьев Е. // Журн. физ. химии. 1999. Т. 73. С. 264–276.Belle C. J., Bonamin A., Simon U., Santoyo-Salazar J., Pauly M., Bégin-Colin S., Pourroy G. // Sens. Actuators, B. 2011. V. 160. № 1. P. 942–950. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.09.008Liu M., Ye Y., Ye J., Gao T., Wang D., Chen G., Song Z. // Magnetochemistry. 2023. V. 9. P. 110. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9040110Kumar P., Tomar V., Kumar D., Joshi R.K., Nemiwal M. // Tetrahedron. 2022. V. 106–107. P. 132641.Vernaya O.I., Krotova I.N., Maksimov Yu.V., Rostovshchikova T.N.// Petrochemistry. 2017. V. 57. P. 96–102. https://doi.org/10.1134/S0965544116080181Trakhtenberg L., Ikim M., Ilegbusi O., Gromov V., Gerasimov G. // Chemosensors. 2023. V. 11. P. 320. https://doi.org/10.3390/chemosensors11060320Pigalskiy K.S., Vishnev A.A., Efimov N., Shabatin A., Trakhtenberg L. // Curr. Appl. Phys. 2022. V. 41. P. 116–122. https://doi.org/10.1016/j.cap.2022.06.019Pigalskiy K., Vishnev A., Efimov N.N., Shabatin A.V., Trakhtenberg L.I. // Ceram. Int. 2025 V. 51. P. 11037–11047. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.12.523Venkateswarlu S., Kumar B., Prathima B., SubbaRao Y., Jyothi N.V.V. // Arab. J. Chem. 2012. V. 4. P. 588–596. http://dx.doi.org/10.1016/j.arabjc.2014.09.006Kour S., Sharma R.K., Jasrotia R., Singh V. // AIP Conf. Proc. 2019. V. 2142. P. 090007. https://doi.org/10.1063/1.5122451Yue H., Shin J.M., Tegafaw T., Han H., Chae K.-S., Chang Y., Lee G. // J. Nanopart. Res. 2020. V. 22 P. 366. https://doi.org/10.1007/s11051-020-05101-4Shabatina T.I., Vernaya O.I., Shabatin V.P., Melnikov M.Y. // Magnetochemistry. 2020. V. 6. P. 30. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry6030030Martin L.М.A., Sheng J., Zimba P.V., Zhu L., Fadare O.O., Haley C., Wang M., Phillips T.D., Conkle J., Xu W. // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 2348. https://doi.org/10.3390/nano12142348Shabatina T.I., Vernaya O.I., Shimanovskiy N.L., Melnikov M.Ya. // Pharmaceutics. 2023. V. 15. P. P1181. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics15041181Al-Madhagi H., Yazbik V., Abdelwahed W., Alcha L. // BioNanoSci. 2023. V. 13. P. 853–859. https://doi.org/10.1007/S12668-023-01113-1Zambzickaite G., Talaikis M., Dobilas J., Stankevic V., Drabavicius A., Niaura G., Mikoliunaite L. // Materials. 2022. V. 15. P. 4008. https://doi.org/10.3390/ma15114008Horner O., Neveu S., de Montredon S., Siaugue J.-M., Cabuil V. // J. Nanopart. Res. 2009. V. 11. P. 1247–125. https://doi.org/10.1007/s11051-008-9582-xYang X., Liu S., Liang T., Yan X., Zhang Y., Zhou Y., Sarkar B., Ok Y.S. // J. Hazard. Mater. 2022. V. 427. P. 128117. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.128117Abdulwahid F., Haider A.J., Al-Musawi S. // AIP Conf. Proc. 2023. V. 2769. P. 020039. https://doi.org/10.1063/5.0129824Gareev K.G., Grouzdev D.S., Kharitonskii P.V., Kosterov A., Koziaeva V.V., Sergienko E.S., Shevtsov M.A. // Magnetochemistry. 2021. V. 7. P. 86. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry7060086Rostovshchikova T., Smirnov V., Kiseleva O., Yushcenko V., Tzodikov M., Maksimov Y., Suzdalev I., Kustov L., Tkachenko O. // Catal. Today. 2010. V. 152. P. 48–53. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2009.10.017Jones D.H., Srivastava K.K.P. // Phys. Rev. B. 1986. V. 34. P. 7542–7548. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.34.7542Zharkynbaeva R., Dzeranov A., Pankratov D., Saman D., Bondarenko L., Terekhova V., Tropskaya N., Mametova A., Kydralieva K. // Chem. Biol. Technol. Agric. 2024. V. 11. P. 14. https://doi.org/10.1186/s40538-023-00530-4Shoppert A., Valeev D., Diallo M.M., Loginova I., Beavogui M.C., Rakhmonov A., Ovchenkov Ye., Pankratov D. // Materials. 2022. V. 15. P. 8423. https://doi.org/10.3390/ma15238423Pankratov D.A., Dovletyarova E.A., Zhikharev A.P., Gusev A., Yáñez C., Neaman A. // Appl. Geochem. 2024. V. 166. P. 105982. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2024.105982Chernavskiy P.A., Novakova A.A., Pankina G.V., Pankratov D.A., Panfilov S.I., Petrovskaya G.A. // Magnetochemistry. 2023. V. 9. P. 228. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9110228Dzeranov A., Bondarenko L., Pankratov D., Prokof’ev M., Dzhardimalieva G., Jorobekova S., Tropskaya N., Telegina L., Kydralieva K. // Magnetochemistry. 2022. V. 9. P. 3. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9010003Dzeranov A., Bondarenko L., Pankratov D., Dzhardimalieva G., Jorobekova S., Saman D., Kydralieva K. // Magnetochemistry. 2023. V. 9. P. 18. https://doi.org/10.3390/magnetochemistry9010018Brok E., Frandsen C., Madsen D.E., Jacobsen H., Birk J.O., Lefmann K., Bendix J., Pedersen K.S., Boothroyd C.B., Berhe A.A., Simeoni G.G., Mørup S. // J. Phys. D.: Appl. Phys. 2014. V. 47. P. 365003. https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/36/365003Martinez B., Roig A., Obradors X., Molins E., Rouanet A., Monty C. // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. P. 2580–2586. http://dx.doi.org/10.1063/1.361125Bondarenko L., Baimuratova R., Reindl M., Zach V., Dzeranov A., Pankratov D., Kydralieva K., Dzhardimalieva G., Kolb D., Wagner F.E., Schwaminger S.P. // Heliyon. 2024. V. 10 P. e27640. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e27640Klygach D.S., Vakhitov M.G., Pankratov D.A., Zherebtsov D.A., Tolstoguzov D.S., Raddaoui Z., El Kossi S., Dhahri J., Vinnik D.A., Trukhanov A.V. // J. Magn. Magn. Mater. 2021. V. 526. P. 167694. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167694Pankratov D.A., Anuchina M.M. // Mater. Chem. Phys. 2019. V. 231. P. 216–224. http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.04.022Pankratov D.A. // Inorg. Mater. 2014. V. 50. P. 82–89. http://dx.doi.org/10.1134/S0020168514010154Bondarenko L.S., Pankratov D.A., Dzeranov A.A., Dzhardimalieva G., Streltsova A.N., Zarrelli M., Kydralieva K.A. // Mendeleev Commun. 2022. V. 32. P. 642–644. http://dx.doi.org/10.1016/j.mencom.2022.09.025Kicheeva A.G., Sushko E.S., Bondarenko L.S., Kydralieva K.A., Pankratov D.A., Tropskaya N.S., Dzeranov A.A., Dzhardimalieva G.I., Zarrelli M., Kudryasheva N.S. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. P. 1133. http://dx.doi.org/10.3390/ijms24021133Sawatzky G., Van Der Woude F., Morris A.H. // Phys. Rew. 1969. V. 183. P. 383–386. https://doi.org/10.1103/PhysRev.183.383Goya G.F., Berquó T.S., Fonseca F.C., Morales M.P. // J. Appl. Phys. 2003. V. 94. P. 3520–3528. https://doi.org/10.1063/1.1599959Martínez B., Roig A., Obradors X., Molins E., Rouanet A., Monty C. // J. Appl. Phys. 1996. V. 79. P. 2580–2586. https://doi.org/10.1063/1.361125