​Demir Oksit: Özellikleri, Üretimi ve Uygulamaları - Nanografi

Fe₂O₃ formülüyle temsil edilen demir oksit ya da diğer adıyla ferrik oksit, doğada manyetit adlı mineralde bulunan üç ana demir oksitten biridir.

Bu özel bileşik, biyomedikal, tarım ve çevre alanlarında kullanıldığında, kolay ayrılma yeteneği sayesinde benzersiz süpermanyetik özelliklere sahiptir. Nanografi, bu önemli endüstrilerdeki çeşitli nanoteknoloji tabanlı çözümleri yenilemek ve geliştirmek için demir oksit tozunun dikkat çekici özelliklerinden yararlanmaktadır.

Giriş

Demir oksit tozunun özel özellikleri sayesinde, yüzey kimyasal potansiyeline dayanarak, nişasta, polielektrolit ve iyonik olmayan deterjanlar gibi çeşitli inorganik ve organik maddelerle işlevselleştirilip modifiye edilebilir. Biyomedikal alanda, dışarıdan bir manyetik alan uygulandığında, demir oksit en sık kullanılan manyetik parçacık ve toz olarak bilinir.

Demir Oksit Özellikleri

Demir (III) ile oksijenin tepkimesi sonucu doğada yaklaşık 16 farklı demir oksit türü bulunmaktadır. Bu türlerin en bilinenleri alfa demir oksit (α-Fe₂O₃) olarak da adlandırılan hematit, gama demir oksit (g-Fe2O3) olarak bilinen maghemit ve manyetit (Fe3O4)’tir. Demir oksitler, hem uygun maliyetli olmaları hem de yaygın bulunmaları nedeniyle birçok alanda kullanılır. Özellikle katalizör ve pigment olarak birçok biyolojik ve jeolojik süreçte değerli ajanlar olarak öne çıkarlar. Endüstriyel, ticari ve teknolojik kullanımlarının yanı sıra bilimsel araştırmalar için de tercih edilen maddelerdir. Bu çok yönlülük, araştırmacıları ince demir oksit kristalleri ve tozları üretmeye teşvik etmektedir. Bu parçacıkların bazıları, ferromanyetik özellikleri sayesinde yarı iletken, manyetik ve süpermanyetik özellikler gösterir.

Demir oksitler, manyetik özellik gösterebilen ferromanyetik bileşiklere dahildir. Bir manyetik alanda bulunduğunda bu manyetik özelliklerini sergileyebilirler. Kontrollü boyut ve kristal yapısıyla üretildiklerinde bu manyetik özellik, birçok uygulama için çok değerlidir. İnce demir oksit parçacıkları, manyetik rezonans görüntüleme (MRI) gibi tıbbi uygulamalarda hem manyetik özellikleri hem de düşük toksisiteleri nedeniyle tercih edilmektedir. Büyük boyutta demir oksitin kullanımları ve tepkileri önem taşır. Ancak, makro ve nano ölçekte daha küçük boyutlara sahip olduklarında, bazen alev alabilirler. Demir oksit, bir yarı iletken olarak, sıcaklık arttığında direnci azalan bir madde özelliğine sahiptir. Bu özellik, α-Fe₂O₃ ün bazı sensörlerde kullanılmasını sağlamıştır. İdeal demir oksit tozlarını elde etme amacıyla birçok farklı üretim yöntemi geliştirilmiştir.

İyonik oksitler, yüksek yüzey reaktiviteleri ve manyetik özellikleri nedeniyle en popüler metal oksitler arasındadır. Bunlar, çevre dostu özellikleriyle modern sürdürülebilir kimyanın önemli bileşenleri olarak görülür. Özellikle, α-Fe₂O₃ , -13°C altındaki sıcaklıklarda antiferromanyetik, -13°C ile 600°C arasında ise zayıf ferromanyetik özellikler gösterir. Bu oksitin hazırlanmasında sıvı fazda çökelme ve termal ayrışma gibi yöntemler tercih edilir. Gama formunda olan g-Fe₂O₃, yüksek sıcaklıkta α-Fe₂O₃ 'ün bir tür geçiş formudur. Bu form, ferromanyetik özellikler sergilerken, 10 nm'den daha küçük boyutlardaki parçacıklar süperparamanyetik özellikler gösterir. g-Fe₂O₃'ün üretimi için termal dehidrasyon yöntemi kullanılır. Aynı zamanda, Fe₃O₄'ün kontrollü bir şekilde oksitlenmesiyle de bu madde elde edilir. Bunun yanı sıra, demir oksalatın termal ayrışmasıyla g-Fe₂O₃ parçacıkları üretilebilir.

Demir Oksit Tozunun Sentezi 

Demir oksit tozunu sentezlemek için bir dizi yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemler arasında ferrik klorürün 100°C'de hidroklorik asit ile hidroliz edilerek nanokristalin demir oksit tozu elde edilmesi bulunmaktadır. Ayrıca tetra bütil amonyum bromür, etilen glikol ve ferrik klorürün 450°C'de 3 saat süreyle reaksiyonu sonucu üç boyutlu, çiçek benzeri nanoyapılı demir oksit üretilebilir. Sol-jel yöntemi kullanılarak, etilen glikol, monometil eter ve demir nitrat gibi reaktiflerin 400 ile 700°C arasında sıcaklıklarda tavlanmasıyla α-Fe₂O₃ elde edilmektedir. Yüzey aktif madde olan setil-trimetil amonyum bromür yardımıyla demir oksalat nanoçubuklarının üretimi ve bunların 500°C'de parçalanmasıyla demir oksit parçacıkları elde edilebilir. Hidrotermal bir teknikle K₃[(Fe(CN)₆]'nın otoklavlanması sonucunda mikro çam yapılı α-Fe₂O₃ oluşur. Bazı yöntemler pahalı metal komplekslerini başlangıç reaktifi olarak kullanmayı gerektirebilir ve bu, zor sentez prosedürlerini, nadir malzemeleri ve organik çözücülerin sık kullanımını içerebilir. Bu kısıtlamaları aşmak için daha çevreci sentez yöntemlerinin geliştirilmesi önemlidir. Bu konuda, indirgenmiş grafen oksit (rGO) sentezi ve nanomateryal sentez yöntemleri hakkında ki blog yazımız, bu alandaki yenilikleri takip etmek ve anlamak için değerli bir kaynak olabilir.

Paramanyetik nanoparçacıkları daha önce duymuş muydunuz? Öğrenmek için blog yazımızı okuyun.

Demir Oksit Tozu Uygulamaları

Demir oksit, geniş bir yelpazede kullanıma sahip bir madde olup, özellikle demir-çelik endüstrisinde ana hammadde olarak tercih edilmektedir. Bunun dışında birçok uygulama alanı vardır:

Endüstriyel ve Kozmetik Kullanımlar:

-Alaşım üretiminde esas hammadde olarak,

-Cilalama işlerinde ince demir oksit parçacıklarının kullanımı, metalik lenslerde ve kozmetiklerde son dokunuş olarak,

-Pigment üretiminde kahverengi ve kırmızı renk tonları elde etmek için kullanılır. Özellikle kahverengi pigment 6 ve kırmızı pigment 101, Amerika'da gıda ve kozmetikte kullanım için onaylıdır.

Medikal ve Diş Uygulamaları:

Tıpta çeşitli alanlarda kullanımı söz konusudur:

-Diş kompozitlerinin hazırlanmasında, demir oksitin titanyum oksitle birleştirilerek kullanılması yaygındır.

Veri Depolama:

-Demir oksitin manyetik özellikleri sayesinde veri depolama ürünlerinin, özellikle disklerin ve manyetik bantların, üretiminde tercih edilmektedir.

Enerji Uygulamaları:

-Demir oksit, suyun güneş enerjisiyle oksidasyonunda kullanılan bir fotoanot ajanıdır. Bu süreçte, güneş ışığı kullanılarak su molekülü ayrıştırılır ve bu reaksiyon sonucunda hidrojen gazı elde edilir. Elde edilen hidrojen gazı, temiz ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak kabul edilmekte olup, özellikle fosil yakıtların yerini alabilecek bir enerji taşıyıcısı olarak büyük bir potansiyele sahiptir.

Ancak demir oksitin bu alandaki kullanımı bazı teknik zorluklarla karşılaşmaktadır:

Öncelikle, foto-uyarılmış yük taşıyıcılarının kısa bir difüzyon uzunluğa (2 ila 4 nm) sahip olması nedeniyle verim sınırlıdır. Bu, enerji taşıma sürecini kısıtlar.Bunun yanı sıra, reaksiyonun başlaması için büyük bir başlangıç enerjisi (aşırı potansiyel) gerekmektedir. Hızlı yük rekombinasyonu, demir oksitin su oksidasyon performansını olumsuz etkileyebilir.

Bu zorlukları aşmak için birçok araştırma yürütülmektedir. Bu çalışmalarda, yüzeyin işlevselleştirilmesi (yani yüzey özelliklerinin modifiye edilmesi) ve farklı kristal yapıdaki demir oksitlerin (örneğin β-Fe) kullanılması gibi yöntemlere odaklanılmaktadır. Bu yöntemler, demir oksitin su oksidasyon verimini artırmayı amaçlar.

Özetle, demir oksit birçok alanda önemli bir madde olup, özellikle enerji üretimi ve depolama konularında daha verimli hale getirilmesi için araştırmalar devam etmektedir.

Sonuç

Demir, bol bulunması, özel kimyasal ve elektronik özellikleri ve birçok elementle yüksek reaktivitesi sayesinde inorganik cevherlerde ve minerallerde büyük miktarda demir oksit kaynağı oluşturmuştur. Demir oksitler, kolay erişilebilirliği ve uygun fiyatı nedeniyle dünyanın dört bir yanında geniş uygulama alanına sahiptir. Endüstri, sağlık, bilim ve teknoloji gibi birçok sektör, demir oksitin bu çeşitliliğinden faydalanmaktadır.

Daha fazla bilgi almak için Blografi’yi ziyaret edebilirsiniz.

Kaynakça

Ferromanyetizma - Vikipedi. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://tr.wikipedia.org/wiki/Ferromanyetizma

Grafen: Üretimi, Özellikleri ve Kullanım Alanları - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/grafen-uretimi-ozellikleri-ve-kullanim-alanlari-/

Iron Nanoparticles: Properties and Applications - Nanografi Nano Technology. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://nanografi.com/blog/iron-nanoparticles-properties-and-applications/

Pant, P., Naik, B. D. & Ghosh, N. N. Synthesis of α-Fe2O3 nano powder by simple chemical method. Mater. Technol. 24, 213–216 (2009).

Paramanyetik Nanoparçacıklar - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/paramanyetik-nanoparcaciklar-/

Schwertmann, U. 1 Introduction to the iron oxides.

Zia, M., Phull, A. R. & Ali, J. S. challenges of iron oxide nanoparticles. 49–67 (2016).