钴基纳米粒子的制备、表征及磁性质

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因为磁性纳米粒子具有独特的化学和物理性质以及在高密度磁记录介质、生物技术、磁流体和构建纳米复合永磁材料等领域有着广泛的应用,所以科研工作者对其制备和性能展开了大量的研究。纳米粒子的控制合成是纳米科学和纳米技术的重要部分之一。与物理制备方法相比,近年来化学方法制备磁性纳米粒子备受重视,因为用化学方法制备的单金属、合金等纳米粒子具有非常高的单分散性。此外,纯金属磁性纳米粒子的磁性质单一,不能满足当今多功能磁性材料的飞速发展。钴及其与其它金属复合纳米颗粒被认为是未来最有希望应用于高密度磁记录材料、吸波材料、磁制冷材料等领域,所以对于钴基纳米材料的研究显得尤为重要。本论文主要探索简单易操作的、绿色的化学液相钴基纳米复合材料的合成路线,制备耐氧化、抗聚结磁性钴基纳米粒子,并研究了它们的磁性质。详细内容归纳如下:1.利用化学还原法制备了不同类型水溶性铂和钴双金属复合纳米粒子。用NaBH4作还原剂还原H2PtCl6和CoCl2的混合溶液制备Pt3Co纳米合金,然后通过吸氢还原法合成了平均粒径为3.6 nm,标准偏差为0.9 nm核壳型纳米粒子Pt3Co/Pt。在空气气氛中经高温热处理后,Pt3Co纳米粒子中的钴被氧化,而具有核壳结构的Pt3Co/Pt纳米粒子则表现出较强的抗氧化性;热处理后,Pt3Co/Pt由fcc转变成fct结构,室温下其矫顽力达276 Oe。利用一步共还原法在导电高分子聚二氧乙基噻吩/聚对苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)水溶液中合成了平均粒径为9.6 nm磁性复合纳米粒子Pt3Co-PEDOT/PSS,Pt3Co纳米粒子为面心立方结构(fcc):用旋转涂膜法制备的Pt3Co-PEDOT/PSS薄膜导电率(σ)在1.6~4 S/cm之间;超导量子干涉仪(SQUID)测量了磁性质,200 Oe下的ZFC-FC曲线显示了复合纳米粒子Pt3Co-PEDOT/PSS的阻塞温度Tb为110.5 K,当温度高于Tb时,纳米粒子显示出超顺磁,低于Tb时,呈铁磁性,在5 K时其剩磁(Mr)和矫顽力(Hc)分别为4.1 emu/g和701 Oe。2.分别在水相和反胶束溶液中合成了三金属PtCo/Au纳米粒子。水溶性的PtCo/Au纳米粒子以NaBH4作还原剂两步反应合成,平均粒径约为2.5 nm的PtCo/Au纳米粒子为fcc结构,PtCo/Au纳米粒子具有较高的抗聚集和抗氧化作用。振动样品磁强计(VSM)研究的PtCo/Au纳米粒子磁性质表明,合成的纳米粒子呈超顺磁状态,经高温处理后呈铁磁状态,矫顽力Hc为510 Oe。反胶束制备的硫醇包裹的PtCo/Au纳米粒子粒径分布很窄,TEM表明了该纳米粒子能铺展在覆有炭膜的铜网上,并自组装成二维单层排列;纳米粒子在200 Oe外磁场下的阻塞温度Tb为69 K,高于Tb粒子呈超顺磁行为,而低于Tb粒子则呈铁磁行为;5 KPtCo/Au粒子的矫顽力和剩磁分别为628 Oe和5.2 emu/g。3.水热再还原四步制备了SmCo5纳米粒子。调节SmCl3和CoCl2混合溶液的pH至合适值后,加热回流,使得Sm3+和Co2+水解共沉淀。150℃下水热反应9 h,制得粒径约为20 nm的立方钐钴氧化物纳米粒子。最后,将纳米氧化物粒子在氢气流中,以金属钠为还原剂,制得粒径为约为20 nm的SmCo5纳米粒子。300 K纳米粒子呈超顺磁状态,而5 K时粒子呈铁磁状态,矫顽力为268 Oe。4.运用不同的合成路线在水体系中制备了Pt3Co/Fe3O4和CoFe2O4纳米粒子。Pt3Co纳米粒子由于Fe3O4的掺入导致Pt3Co/Fe3O4复合纳米粒子的晶相从fcc向fct转变,两超顺磁的Pt3Co和Fe3O4纳米粒子构成的Pt3Co/Fe3O4复合纳米粒子在室温下由于它们相互间的交换耦合而呈铁磁性,纳米粒子中铁、铂的比例对其磁性质起着调节作用。立方尖晶石型CoFe2O4磁性纳米粒子以水热共沉淀法制备,扫描电子显微镜(SEM)研究表明,水热时间是控制纳米粒子的形貌和大小的关键。当150℃水热8 h,CoFe2O4粒子呈立方体,SQUID研究表明,水热后30 nm的CoFe2O4纳米粒子在5 K矫顽力高达10.7×103 Oe。
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