通过pH控制的水热法制备的BiVO4的形态演化机制及其光催化性能

《Materials Chemistry and Physics》：Morphological evolution mechanism and photocatalytic performance of BiVO 4 prepared by pH controlled hydrothermal method

该研究通过化学共沉淀法合成Cr掺杂的Y型六角铁氧体（Sr?Co?Fe????Cr?O??，x=0%、3%、5%、7%），发现样品在X波段（9.2 GHz）反射损耗达-24.52 dB，同时磁热效应显著，可实现癌症治疗所需温度阈值。结构分析表明样品为单相R3?m结构纳米颗粒，FTIR和FESEM验证了其晶格稳定性和多形貌特征。研究证实Cr3?掺杂可优化材料磁学性能，提升微波吸收与磁热转换效率，为双模应用（隐身技术/无创癌症治疗）提供新材料体系。

　　

Imlinola Jamir|Debasish Das|Nidhi S. Bhattacharyya|J.P. Borah

印度那加兰邦国立技术学院物理系纳米磁学实验室，Chumukedima，那加兰邦 797103

摘要

一种多功能Y型锶六铁酸盐被合成并评估了其在交变磁场下的强微波衰减和高效自热性能，适用于双模应用。结构和形态分析证实形成了具有均匀纳米级特征的热稳定软磁相。该材料在X波段附近表现出高反射损耗，在9.20 GHz时达到-24.52 dB，使其成为高频微波吸收应用的理想候选材料，包括隐身技术。此外，磁热分析显示在射频作用下温度迅速上升，达到了适用于治疗的温热阈值。介电响应、磁软度和热转换效率的同时优化突显了这类材料在下一代电磁和生物医学平台中的潜力。这种双功能行为在单一材料系统中较为罕见，为高频吸收和非侵入性癌症治疗的集成应用开辟了新途径。

引言

电子设备的迅速普及加剧了对高频运行设备的需求，这就需要开发出在保持成本效益的同时具有优异电磁性能的先进磁性材料。铁酸盐因其独特的铁磁性和绝缘性而成为关键材料。在各种类型的铁酸盐中，六铁酸盐因其低成本、易于合成、出色的电学和磁学性能以及适用于多种应用而受到广泛关注。这些应用包括永磁体和微波设备，以及生物医学领域，其中它们的无毒性质和功能性特性显示出巨大潜力[1]。值得注意的是，当在纳米尺度上工程化时，基于铁酸盐的磁性纳米颗粒（MNPs）在生物医学应用中表现出显著的能力，特别是在磁热癌症治疗和靶向药物递送方面，能够在交变磁场下有效产生热量[2]、[3]、[4]。六铁酸盐在GHz频率范围内的天然共振和面内各向异性（由其强磁晶各向异性引起）使其特别适用于高频电子应用和先进医疗技术。此外，基于研究结果，六铁酸盐作为一种氧化物材料被认为无毒，成为多种生物医学应用的有希望的候选材料[5]、[6]。然而，选择最佳磁性材料仍是一个复杂的过程，因为它受到多种相互依赖因素的影响，包括颗粒大小、形态、分布、各向异性轴的存在以及与施加磁场的颗粒内和颗粒间相互作用。

Y型六铁酸盐是一种软铁酸盐，以其低烧结温度下的化学稳定性和在高频及单轴磁晶各向异性（沿六角c轴）下的优异磁性能而闻名。这种材料结合了立方尖晶石和M型铁酸盐的结构特征，表现出平面磁晶各向异性、低微波频率下的高初始磁导率[7]和低介电损耗，从而提高了高性能设备的性能并减少了噪声[8]。这些特性使其特别适用于超过10 GHz的频率范围内的微波吸收应用[9]、[10]、[11]。总体而言，其优异的性能使其成为高频多层芯片电感器（MLCIs）、微波吸收器[12]、高密度存储设备、高频微波设备和磁记录介质[13]的有希望的候选材料。此外，研究表明Y型六铁酸盐同时具有面内和面外各向异性场，具有高的有效磁各向异性和适度的矫顽力。这些特性使其成为磁热应用的理想候选材料，在这些应用中，控制交变磁场下的热量生成至关重要。

多项研究记录了将二价、三价和四价阳离子掺入Y型六铁酸盐中以调整其磁性能，以增强微波应用的效果。结构、磁性和电学性能受到合成过程、烧结温度、化学组成以及替代浓度的显著影响。此外，Y型铁酸盐的介电和导电性能主要取决于离子分布和掺杂元素的性质[14]、[15]。因此，根据预期应用找到合适的替代材料一直是许多研究人员的关键目标。通过适当选择金属离子和替代Fe³⁺离子，可以修改Y型六铁酸盐的磁特性，从而改善微波应用[16]。通常，高饱和磁化度更受青睐，以提高热疗的效率。Ibrahim Mohammed等人对锶六铁酸盐进行了Mn²⁺掺杂，并发现不同浓度（x = 0.0、0.5和1.0）下Y型六铁酸盐的工作频率范围为11-12 GHz，表明它们适用于X波段的微波应用，并暗示了其在磁带、永磁体和磁数据存储系统中的潜在应用[10]。Jae-Hyoung You等人研究了Zn²⁺替代Ba₂Fe_2-xZn_xFe₁₂O₂₂中Fe²⁺位点的影响，发现部分替代（x= 0.5-1.5）的复合材料的复合介电常数高于完全替代（x = 2.0）的复合材料，这与Fe²⁺和Fe³⁺之间的电子跳跃有关[17]。Amin Ur Rashid等人报告称锶六铁酸盐表现出可调的磁性能，总结了其在临床热疗应用中的潜力[18]。Mukesh Suthar等人强调铬替代的钡六铁酸盐是软铁酸盐在磁热应用中的有希望的替代品。他们的研究发现，Ba₂Co₂Fe_11.7Cr_0.3O₂₂组成在所有测试的铁酸盐样品中显示出最高的比吸收率（SAR）和内在损耗功率（ILP）值，以及最高的磁各向异性常数（K₁ = 0.237 HA²/kg）和最显著的有效磁晶各向异性（K_eff = 4.20 × 10⁶ erg/g）[6]。

许多研究人员根据不同的应用采用了多种合成技术来制备Y型六铁酸盐。Mukesh Suthar等人使用柠檬酸-硝酸自燃法成功合成了单相纳米晶Ba₂Co₂Fe_12-xCr_xO₂₂样品，实现了适用于热疗的最佳磁性能，而生物相容性评估证实了该材料适用于生物医学用途[6]。J.P. Martínez-P′erez等人通过高能球磨和热处理后低温处理合成了Ba_0.6Sr_1.4Co_2-xNi_xFe₁₁AlO₂₂。他们的发现表明Ni²⁺替代有效地调节了自旋块（L和S）之间的超交换相互作用，稳定了室温多铁相，具有在磁电设备中的潜在应用[19]。Abdel-Fatah Lehlooh等人采用共沉淀法制备了高纯度Y型六铁酸盐（Ba₂Co₂Fe₁₂O₂₂），优化了实验条件以在较低的烧结温度下实现相纯度。他们的工作突出了pH值和沉淀剂添加方法对结晶度和磁性能的影响，为六铁酸盐的合成提供了一种可扩展的方法[20]。

本研究采用化学共沉淀法合成了铬替代的Y型锶六铁酸盐，旨在系统地研究铬替代对材料结构、形态、介电和磁性能的影响。研究旨在评估这些改性的六铁酸盐作为潜在的高性能微波吸收器的潜力，并评估它们在生物医学应用中的适用性，特别是磁热治疗。用磁矩为3μ_B的Cr³⁺离子替代Fe³⁺离子，预期可以通过促进电子转移机制来增强材料的性能，从而可能提高电磁波吸收能力和在交变磁场中的加热效率。

Sr₂Co₂Fe_12-xCr_xO₂₂纳米颗粒的合成

采用共沉淀合成方法制备了掺铬的锶六铁酸盐纳米颗粒。首先将化学计量的六水合氯化锶（SrCl₂.6H₂O）、六水合氯化钴（II）（CoCl₂.6H₂O）和三水合氯化铁（FeCl₃）溶解在去离子水中。然后加入不同浓度（x = 0%、3%、5%、7%）的三水合氯化铬（III）（CrCl₃.6H₂O）

结构分析

图2(a)显示了不同浓度（x = 0%、3%、5%、7%）的Sr₂Co₂Fe_12-xCr_xO₂₂的XRD图谱。所有合成样品观察到的反射峰与标准衍射图谱（JCPDS卡片编号73-2035）紧密匹配，证实形成了单相结构[10]。没有次级峰表明属于R3?m空间群的菱形晶体系统[16]。所有替代样品中存在单一相证实了成功的合成

结论

在这项研究中，使用化学共沉淀技术成功合成了Cr替代的Sr₂Co₂Fe_12-xCr_xO₂₂（x = 0%、3%、5%、7%）。XRD分析证实形成了具有相同R3?m空间群的六方纳米颗粒。FTIR分析在434 cm^-1和553 cm^-1处显示出明显的吸收带，表明与六方铁酸盐相关的金属-氧振动。FESEM显示了多种形态，包括不规则的片状和棒状结构

CRediT作者贡献声明

Debasish Das： 数据整理。Imlinola Jamir： 写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。J. P. Borah： 写作 – 审稿与编辑、监督、概念化、项目管理、资源协调。Nidhi S. Bhattacharyya： 验证、数据整理

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