Synteza i badanie własności analogów błękitu pruskiego o zredukowanej wymiarowości

Abstract

Magnetyki molekularne cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem wśród badaczy, głównie ze względu na ich wielofunkcyjny charakter. Posiadają znaczący potencjał aplikacyjny w ogniwach paliwowych, układach kwantowych w funkcji zaworów spinowych, czy zastosowaniach biomedycznych jako nośniki leków czy markery różnych substancji. Jedną z wiodących grup materiałów będących magnetykami molekularnymi są analogi błękitu pruskiego. Cechują się one stosunkowo prostą strukturą krystaliczną, a ponadto mogą być syntetyzowane przy użyciu wielu technik. W niniejszej rozprawie zostały opisane procesy syntezy i analiza właściwości fizykochemicznych dwóch rodzin analogów błękitu pruskiego. W pierwszej części skupiono się na błękicie pruskim Fe4[Fe(CN)6]3 i jego analogu Fe3[Cr(CN)6]2, które zostały uzyskane w postaci warstw oraz nanorurek z wykorzystaniem metody elektrochemicznej redukcji. Zostały scharakteryzowane zarówno związki jednofazowe jak i próbki dwuskładnikowe. Druga część dotyczy związków o ogólnym wzorze Ni3[Fe(CN)6]x[Cr(CN)6]2−x, które zostały uzyskane w postaci proszków, dwóch rodzajów warstw (wykorzystując podłoże PET−ITO oraz Nafion®) i nanocząstek. W tym celu zastosowano techniki szybkiego strącania, wielosekwencyjnej adsorpcji, wymiany jonowej oraz syntezy z wykorzystaniem polimeru PVP. Do charakteryzacji uzyskanych próbek wykorzystano następujące techniki badawcze: skaningową mikroskopię elektronową (SEM), mikroskopię sił atomowych (AFM), spektroskopię w zakresie podczerwieni (FTIR), dyfrakcję rentgenowską (XRD), dynamiczne rozpraszanie światła widzialnego (DLS) oraz magnetometrię z wykorzystaniem magnetometru typu MPMS SQUID. Przedstawiona analiza pokazała, że możliwe jest zaprojektowanie i wytworzenie układów o dobrze określonej stechiometrii i oczekiwanych własnościach fizykochemicznych. Dotyczy to zarówno próbek jedno- jak i wielofazowych i może być realizowane przez dobór odpowiednich warunków syntezy. Ponadto możliwe jest oszacowanie udziału procentowego poszczególnych faz magnetycznych w układach wielofazowych, bazując na danych magnetycznych, nawet w przypadku, gdy nie jest możliwa analiza pierwiastkowa innymi metodami.

Molecular magnets attract considerable interest among researchers in recent years, mainly due to their multifunctional nature. They have significant application potential in fuel cells, quantum systems as spin valves, or biomedical applications as drug carriers or markers of various substances. One of the leading molecular magnetic material groups is Prussian blue analogs. They are characterized by a relatively simple crystal structure and can be synthesized using a variety of techniques. This dissertation describes the synthesis processes and analysis of the physicochemical properties of two families of Prussian blue analogs. The first part focuses on Prussian blue Fe4[Fe(CN)6]3 and its analog Fe3[Cr(CN)6]2, which were obtained in the form of films and nanotubes using an electrochemical reduction method. Both single-phase compounds and two-component samples have been characterized. The second part concerns compounds with the general formula Ni3[Fe(CN)6]x[Cr(CN)6]2−x, which were synthesized in the form of powders, two types of films (using PET−ITO and Nafion® substrates) and nanoparticles. For this purpose, rapid precipitation, multi-sequential adsorption, ion exchange and synthesis techniques using PVP polymer were used. The following research techniques were used to characterize the obtained samples: scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), dynamic light scattering (DLS), and magnetometry using an MPMS SQUID-type magnetometer. The presented analysis showed that designing and producing systems with well-defined stoichiometry and expected physicochemical properties is possible. This applies to both single- and multiphase samples and can be realized by selecting appropriate synthetic conditions. In addition, it is possible to estimate the percentage of individual magnetic phases in multiphase systems based on magnetic data, even when elemental analysis by other methods is not possible.