1200 ℃合成Mn3O4-Fe2O3体系的物相关系、结构和阳离子分布

doi:10.3866/PKU.WHXB201202271

物理化学学报 >> 2012, Vol. 28 >> Issue (05): 1021-1029.doi: 10.3866/PKU.WHXB201202271

1200 ℃合成Mn₃O₄-Fe₂O₃体系的物相关系、结构和阳离子分布

王蓉², 杨承旭¹, 时迎国³, 孙玉增¹, 李国宝¹, 金头男², 秦高梧³, 廖复辉¹, 林建华¹

1. 北京大学化学与分子工程学院, 北京分子科学国家实验室, 稀土材料化学及应用国家重点实验室, 北京 100871;
2. 北京工业大学材料科学与工程学院, 北京 100022;
3. 东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室, 沈阳 110819

收稿日期:2011-12-08 修回日期:2012-02-13 发布日期:2012-04-26
通讯作者: 李国宝,金头男,秦高梧,林建华 E-mail:liguobao@pku.edu.cn; tnjinkim@bjut.edu.cn; qingw@smm.neu.edu.cn; jhlin@pku.edu.cn
基金资助:
国家重点基础研究发展规划项目(973)(2010CB833103)和北京市教委重点基金(KM201010005019)资助

Phase Relationship, Structure and Cationic Distribution of Oxides in the Mn₃O₄-Fe₂O₃ System Synthesized at 1200 ℃

WANG Rong², YANG Cheng-Xu¹, SHI Ying-Guo³, SUN Yu-Zeng¹, LI Guo-Bao¹, JIN Tou-Nan², QIN Gao-Wu³, LIAO Fu-Hui¹, LIN Jian-Hua¹

1. State Key Laboratory of Rare Earth Materials Chemistry and Applications, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University, Beijing 100871, P. R. China;
2. College of Material Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022, P. R. China;
3. Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials(Ministry of Education), Northeastern University, Shenyang 110819 , P. R. China

Received:2011-12-08 Revised:2012-02-13 Published:2012-04-26
Contact: LI Guo-Bao, JIN Tou-Nan, QIN Gao-Wu, LIN Jian-Hua E-mail:liguobao@pku.edu.cn; tnjinkim@bjut.edu.cn; qingw@smm.neu.edu.cn; jhlin@pku.edu.cn
Supported by:
The project was supported by the National Key Basic Research Project of China (973) (2010CB833103) and Scientific Research Key Program of Beijing Municipal Commission of Education, China (KM201010005019).

摘要/Abstract

摘要： 在空气气氛中1200 ℃温度下合成了Mn₃O₄-Fe₂O₃体系的各类样品, 并将其快速淬火到室温. X射线粉末衍射(XRD)分析表明这样得到的该体系样品存在三个固溶体Mn_3-3xFe_3xO₄ (0.00≤x≤0.278), Mn_3-3xFe_3xO₄(0.291≤x≤0.667)和Mn_2-2xFe_2xO₃(0.89≤x≤1.00). X射线粉末衍射数据的结构精修显示它们分别具有I4₁/amd空间群的黑锰矿结构、Fd3m空间群的尖晶石结构和R3c 空间群的赤铁矿结构. 各固溶体之间都存在两相共存的区域. ⁵⁷Fe 穆斯堡尔谱数据显示Fe 在各个物相中都是Fe³⁺, 在黑锰矿和尖晶石中存在两种结晶学环境不同的Fe³⁺, 而在赤铁矿中只存在一种Fe³⁺. 结合X射线光电子能谱(XPS)的数据, 可以认为黑锰矿和尖晶石中的阳离子分布可以用分子式Mn_1-x²⁺Fe_x³⁺[Mn_x³⁺Fe_x³⁺Mn_2-3x³⁺]O₄表示, 而赤铁矿为Mn_2-2x³⁺Fe_2x³⁺O₃.

Abstract: A series of oxides in the Mn₃O₄-Fe₂O₃ system have been synthesized at 1200 ℃ in air, followed by quenching to room temperature. Three solid solutions, Mn_3-3xFe_3xO₄ (0.00≤x≤0.278), Mn_3-3xFe_3xO₄(0.291≤x≤0.667), and Mn_2-2xFe_2xO₃ (0.89≤x≤1.00), have been identified by powder X-ray diffraction (XRD). Rietveld refinement of the XRD data show that the solids belong to the hausmannite phase with the space group I4₁/amd, the spinel phase with the space group Fd3m, and the hematite phase with the space group R3c, respectively. Between these are two-phase regions. ⁵⁷Fe Mössbauer spectra indicate that the valence state of Fe in the three solid solutions is +3; in addition, there are two crystallographically independent Fe³⁺ ions in the unit cells of the hausmannite and spinel phases, and one Fe³⁺ in the hematite phase. Analyses of ⁵⁷Fe Mössbauer spectra and X-ray photoelectron spectra (XPS) revealed that a formula of Mn_1-x²⁺Fe_x³⁺[Mn_x³⁺Fe_x³⁺Mn_2-3x³⁺]O₄ describes the cation distribution of both the hausmannite and spinel phases, but that for the hematite phase is Mn_2-2x³⁺Fe_2x³⁺O₃.

Key words: Phase relationship, Structure, ⁵⁷Fe Mö, ssbauer spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Cation distribution, Mn₃O₄, Fe₂O₃

王蓉, 杨承旭, 时迎国, 孙玉增, 李国宝, 金头男, 秦高梧, 廖复辉, 林建华. 1200 ℃合成Mn₃O₄-Fe₂O₃体系的物相关系、结构和阳离子分布[J]. 物理化学学报, 2012, 28(05), 1021-1029. doi: 10.3866/PKU.WHXB201202271

WANG Rong, YANG Cheng-Xu, SHI Ying-Guo, SUN Yu-Zeng, LI Guo-Bao, JIN Tou-Nan, QIN Gao-Wu, LIAO Fu-Hui, LIN Jian-Hua. Phase Relationship, Structure and Cationic Distribution of Oxides in the Mn₃O₄-Fe₂O₃ System Synthesized at 1200 ℃[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28(05), 1021-1029. doi: 10.3866/PKU.WHXB201202271

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201202271

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2012/V28/I05/1021

参考文献

(1) Kim, K. Y.; Kim,W. S.; Hong, S. Y. IEEE Trans. Magn. 1993, 29, 2134.

(2) Zhang, Z. Y.; Hu, Z. A.; Yang, Y. Y.;Wang, H.W.; Chang, Y. Q.; Chen, Y. L.; Lei, Z. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 1673. [张子瑜, 胡中爱, 杨玉英, 王欢文, 常艳琴, 陈艳丽, 雷自强. 物理化学学报, 2011, 27, 1673.]
(3) Mason, B. Geol . Fören . Föreh . Stockholm Föerh 1943, 65, 97.

(4) McMurdie, H. F.; Sullivan, B. M.; Maur, F. A. Natl. Bur. Standards Res. 1950, 45, 35.
(5) Van Hook, H. J.; Keith, M. L. Am. Miner. 1958, 43, 69.
(6) Muan, A.; Somiya, S. Am. J. Sci. 1962, 260, 230.

(7) Wickham, D. G. J. Inorg. Nucl. Chem. 1969, 31, 313.

(8) Von Punge-Witteler, B. Z. Phys. Chem. 1984, 143, 239.
(9) Tsuji, T.; Asakura, Y.; Yamashita, T.; Naito, K. J. Solid State Chem. 1991, 50, 273.
(10) Crum, J. V.; Riley, B. J.; Vienna, J. D. J. Am. Ceram. Soc. 2009, 92, 2378.

(11) Kjellqvist, L.; Selleby, M. J. Phase Equilib. Diffus. 2010, 31, 113.

(12) Verwey, E. J.W. Nature 1939, 144, 327.
(13) Iizumi, M.; Koetzle, T. F.; Shirane, G.; Chikazumi, S.; Matsui, M.; Todo, S. Acta Crystallogr. B 1982, 38, 2121.

(14) Yoshido, J.; Iida, S. J. Phys. Soc. Jpn. 1979, 47, 1627.

(15) Zuo, J. M.; Spence, J. C. H.; Petuskey,W. Phys. Rev. B 1990, 42, 8451.

(16) Novak, P.; Stepankova, H.; Englich, J.; Kohout, J.; Brabers, V. A. M. Phys. Rev. B 2000, 61, 1256.

(17) García, J.; Subías, G.; Proietti, M. G.; Blasco, J.; Renevier, H.; Hodeau, J. L.; Joly, Y. Phys. Rev. B 2001, 63, 054110.

(18) Subías, G.; García, J.; Blasco, J.; Grazia Proietti, M.; Renevier, H.; Sánchez, M. C. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 156408.

(19) Blasco, J.; Garcia, J.; Subias, G. Phys. Rev. B 2011, 83, 104105.

(20) Barth, T. F.W.; Posnjak, E. Z. Kristall. 1932, 82, 325.
(21) Verwey, E. J.W.; Heilmann, E. L. J. Chem. Phys. 1947, 15, 174.

(22) Shull, C. G.;Wollan, E. O.; Koehler,W. C. Phys. Rev. 1951, 84, 912.

(23) Goodenough, J. B.; Lerb, A. L. Phys. Rev. 1955, 98, 391.

(24) Wojtowicz, P. J. Phys. Rev. 1959, 116, 32.

(25) Tackett, R.; Lawes, G. Phys. Rev. B 2007, 76, 024409.

(26) Suzuki, T.; Katsufuji, T. Phys. Rev. B 2008, 77, 220402.

(27) Kim, M.; Chen, X. M.; Joe, Y. I.; Fradkin, E.; Abbamonte, P.; Cooper, S. L. Phys. Rev. Lett. 2010, 104, 136402.

(28) Eschenfelder, A. H. J. Appl. Phys.1958, 29, 378.

(29) Tanaka, M.; Mizoguchi, T.; Aiyama, Y. J. Phys. Soc. Jpn. 1963, 18, 1091.

(30) Kulkarni, J. A.; Darshane, V. S. Thermochim. Acta 1985, 93, 473.

(31) Battault, T.; Legros, R.; Rousset, A. J. European Ceram. Soc. 1995, 15, 1141.

(32) Rietveld, H. M. J. Appl. Crystallogr. 1969, 2, 65.

(33) Larson, A. C.; Von Dreele, R. B. General Structure Analysis System (GSAS); Los Alamos National Laboratory Report LAUR 86-748: Los Alamos, NM, 2004.
(34) Mössbauer, R. L. Z. Physik 1958, 151, 124.

(35) Kingery,W. D.; Bowen, H. K.; Uhlmann, D. R. Introduction to Ceramics, 2nd ed.; JohnWiley& Sons: New York, 1976.
(36) Raj, A. M. E.; Victoria, S. G.; Jothy, V. B.; Ravidhas, C.; Wollschlager, J.; Suendorf, M.; Neumann, M.; Jayachandran, M.; Sanjeeviraja, C. Appl. Surf. Sci. 2010, 256, 2920.

(37) Boucher, B.; Buhl, R.; Perrin, M. J. Phys. Chem. Solids 1971, 32, 2429.

(38) Jensen, G.; Nielsen, O. J. Phys. C 1974, 7, 409.

(39) Satomi, K. J. Phys. Soc. Jpn. 1960, 16, 258.
(40) Jarosch, D. Mineral. Petrol. 1987, 37, 15.

(41) Vegard, L. Z. Phys. 1921, 5, 17.

(42) Vegard, L. Z. Kristallogr. 1928, 67, 239.
(43) Pauling, L.; Hendricks, S. B. J. Am. Chem. Soc. 1925, 47, 781.

(44) Baron, V.; Gutzmer, J.; Rundlof, H.; Tellgren, R. Solid State Sci. 2005, 7, 753.

(45) Maia, H. A.; Dearaujo, F. F. T.; Dearaujo, M. A. B.; Danon, J.; Frankel, R. B. Hyperfine Interact. 1993, 77, 43.

(46) Ardizzone, S.; Bianchi, C. L.; Tirelli, D. Colloid Surf. A-Physicochem. Eng. Asp. 1998, 134, 305.

(47) Raj, A. M. E.; Victoria, S. G.; Jothy, V. B.; Ravidhas, C.; Wollschlager, J.; Suendorf, M.; Neumann, M.; Jayachandran, M.; Sanjeeviraja, C. Appl. Surf. Sci. 2010, 256, 2920.

(48) Fyfe,W. S. Nature 1949, 164, 790.
(49) Fine, M. E.; Chiou, C. Phys. Rev. 1957, 105, 121.

(50) Baron, V.; Gutzmer, J.; Rundloef, H.; Tellgren, R. Am. Mineral. 1998, 83, 786
(51) Chardon, B.; Vigneron, F. J. Magn. Magn. Mater. 1986, 58, 128.

(52) Jensen, G. B.; Nielsen, O. V. J. Phys. C 1974, 7, 409.

(53) Fujii, T.; de Groot, F. M. F.; Sawatzky, G. A.; Voogt, F. C.; Hibma, T.; Okada, K. Phys. Rev. B 1999, 59, 3195.

[1]	张城城, 吴之怡, 沈家辉, 何乐, 孙威. 硅纳米结构阵列：光热CO₂催化的新兴平台[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2304004 - .
[2]	冀连连, 王现鹏, 张莹莹, 申学礼, 薛娣, 王璐, 王滋, 王文冲, 黄丽珍, 迟力峰. 有机-有机界面效应的原位及非原位研究[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2304002 - .
[3]	Faizan Muhammad, 赵国琪, 张天旭, 王啸宇, 贺欣, 张立军. 空位有序双钙钛矿A₂BX₆的弹性和热电性质的第一性原理研究[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303004 - .
[4]	高凤雨, 刘恒恒, 姚小龙, Sani Zaharaddeen, 唐晓龙, 罗宁, 易红宏, 赵顺征, 于庆君, 周远松. 球形表面富锰Mn_xCo_3−xO_4−ƞ尖晶石型催化剂选择性催化还原NO_x研究[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212003 -0 .
[5]	王宁, 李一, 崔乾, 孙晓玥, 胡悦, 罗运军, 杜然. 金属气凝胶：可控制备与应用展望[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212014 -0 .
[6]	罗耀武, 王定胜. 单原子催化剂电子结构调控实现高效多相催化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212020 -0 .
[7]	陈帅, 余创, 罗启悦, 魏超超, 李莉萍, 李广社, 程时杰, 谢佳. 卤化物固态电解质研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2210032 -0 .
[8]	梁秋菊, 常银霞, 梁朝伟, 祝浩雷, 郭子宾, 刘剑刚. 结晶动力学策略在非富勒烯体系太阳能电池形貌调控领域的应用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(7): 2212006 -0 .
[9]	周文杰, 景启航, 李家馨, 陈颖芝, 郝国栋, 王鲁宁. 有机光催化剂用于太阳能水分解：分子水平和聚集体水平改性[J]. 物理化学学报, 2023, 39(5): 2211010 -0 .
[10]	唐甜蜜, 王振旅, 管景奇. 调控单位点M-N-C电催化剂的电子结构提升二氧化碳还原性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(4): 2208033 -0 .
[11]	张婧雯, 马华隆, 马军, 胡梅雪, 李启浩, 陈胜, 宁添姝, 葛创新, 刘晰, 肖丽, 庄林, 张熠霄, 陈立桅. 碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2111037 -0 .
[12]	齐亚娥, 夏永姚. 电解液调控策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2205045 -0 .
[13]	郑书逸, 吴佳, 王可, 胡梦晨, 文欢, 尹诗斌. 钴掺杂电子调控Ni-Mo-O多孔纳米棒选择性氧化5-羟甲基糠醛耦合制氢[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2301032 - .
[14]	王正慜, 洪庆玲, 王晓慧, 黄昊, 陈煜, 李淑妮. 氮掺杂石墨烯气凝胶锚定RuP纳米粒子用于水合肼氧化辅助产氢[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2303028 - .
[15]	高振飞, 宋清泉, 肖志华, 李兆龙, 李涛, 罗家俊, 王珊珊, 周万立, 李兰英, 于俊荣, 张锦. 亚微米尺寸、高结晶度石墨烯增强间位芳纶纤维力学性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(10): 2307046 - .

1200 ℃合成Mn₃O₄-Fe₂O₃体系的物相关系、结构和阳离子分布

Phase Relationship, Structure and Cationic Distribution of Oxides in the Mn₃O₄-Fe₂O₃ System Synthesized at 1200 ℃

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