磁场诱导水热合成法解析课件

1-1磁场诱导水热合成法磁场诱导水热合成法报告：李牣报告：李牣组员：李军雷、岳国强、顾晓红、陈梅组员：李军雷、岳国强、顾晓红、陈梅2007年年12月月27日日1-2主要内容主要内容水热法简介水热法简介磁场诱导磁性金属纳米粒子线磁场诱导磁性金属纳米粒子线型组装型组装磁场诱导铁氧体纳米材料的取磁场诱导铁氧体纳米材料的取向生长向生长1-3水热法基本原理水热法基本原理 使用特殊设计的装置，人为地创造一个高温高压环境，由于高温高压下水的解离常数增大、黏度大大降低、水分子和离子的活动性增加，可使那些在通常条件下不溶或难溶于水的物质溶解度、水解程度极大提高，从而快速反应合成新的产物。1-4水热结晶：溶解水热结晶：溶解再结晶机理再结晶机理 首先营养料在水热介质里溶解,以离子、分子团的形式进入溶液。利用强烈对流(釜内上下部分的温度差而在釜内溶液产生)将这些离子、分子或离子团被输运到放有籽晶的生长区(即低温区)形成过饱和溶液,继而结晶。水热法生产的特点是粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控制,生产成本低。用水热法制备的粉体一般无需烧结,这就可以避免在烧结过程中晶粒会长大而且杂质容易混入等缺点。影响水热合成的因素有:温度的高低、升温速度、搅拌速度以及反应时间等。1-5水热法装置图水热法装置图密封结构釜体压力、温度无机分子（反应物）溶剂合成添加剂晶核、产物1-6磁场诱导钴纳米晶的组装HNNiu,etalJ.Mater.Chem.,2003,13,15磁场诱导磁性金属纳米粒子线型组装磁场诱导磁性金属纳米粒子线型组装1-7工艺流程工艺流程Co(CH3CO2)24H2OC2H5OHMixedatroomtemperatureMixedsolutionAH2NCH2CH2NH2wasaddeddropwiseMixedsolutionBAbrownsolutionofCo(en)32+80wt%H4N2H2OTeflon-linedstainlesssteelautoclavesvigorousstirringfor10minutes1-8THECHEMICALREACTIONFORTHESYNTHESISOFCOBALTNANOCRYSTALLITES低温还原过程获得纯的Co 纳米晶体粒径大约10-30nm,这些钴纳米晶体积聚形成直径大约13m的球形粒子以降低表面能。1-9XRDPATTERNSOFCOBALTNANOCRYSTALLITESPREPAREDAT110FOR36HOURSWITHA0.25TMAGNETICFIELD(A),ANDWITHOUTMAGNETICFIELD(B).1-10a)SEMmicrographsofCowiresobtainedat110for36hoursundera0.25Texternalmagneticfield,b)highermagnificationofa),andc)HRTEMimageofaparticleinthewire,showingthattheparticleissinglecrystalline.ThemagnifiedSEMimageshowsnearlyparallelwires,HRTEMsuggeststhatthewireiscomposedofConanocrystallites.1-11SEMmicrographsofproductspreparedat110for24hours a,b)without and c)with a 0.25T externalmagneticfield.b)isthemagnifiedimageofa).在无外磁场的情况下，球形粒子在任意方向上通过偶极作用堆积在一起，故没有明显的取向排列。1-12SEMimagesofcobaltformedundera0.25Tmagneticfieldfora)12h,b)24h,respectively.c)Anenlargementoftheboxedregioninb)isshowninc),showingsphericalparticles self-assembly to form a linear chain.d)Magnified image of c),showing the connection ofsphericalparticlesinawire.1-13纳米级钴单晶颗粒团聚成粒径约13微米的球形多晶颗粒。微米多晶球 沿着磁场 方向有序 堆积形成 球形的链。球形的链向光滑的线过渡。在外加磁场诱导下，球形颗粒有序堆积最终形成几乎平行的的线阵列。微米多晶球在无外磁场的作用下无序堆积。无外加磁场作用的条件下，小球杂乱堆积，无特定形貌通过偶极的诱导形成的鼓状的链结构在0.25T外磁场诱导下，球形粒子沿着外磁场方向通过相互偶极定向自组装，形成线状阵列结构。1-14Thehysteresisloopsmeasuredatroomtemperatureforproducesobtainedwith(A)andwithout(B)externalmagneticfield。磁化强度和矫顽力都要明显高于没加外磁场所获得的产物。这可能与钴纳米粒子在外磁场诱导下呈线形排列，形成永久的磁极有关。1-15磁场诱导针形镍纳米晶的一维组装H.L.Niu,etalJ.Phys.Chem.B(inpress)1-16工艺流程工艺流程Ni(CH3CO2)2PEGCTABdistilledwatermixedinaflaskatroomtemperatureMixedsolutionAAgrass-greencolorsolutionStronglystirringforhalfanhourAhalf-hourultrasoundtreatmentNi2+ionsdispersedhomogeneously5mLof80wt%hydrazinehydratesolutionwasaddeddropwiseMixedsolutionBStronglystirringforseveralminutesNiN2H461-17THECHEMICALREACTIONFORTHESYNTHESISOFNICKELNANOCRYSTALLITES1-18XRDpatternofnickelnanocrystallitespreparedwitha0.25Tmagneticfieldapplied.1-19SEMmicrographsofproductspreparedat70for3hours without a)and with a 0.25T magnetic fieldappliedb).通过低温水热方法形成针形镍纳米晶，针形镍纳米晶自组装形成直径约200纳米的多晶镍纳米线。1-20RepresentativeTEMimagesoftwosamplesobtaineda)withoutandb)witha0.25Texternalmagneticfieldapplied.a1)Insetina)showsanimage of a sample post-synthesis magnetic alignment of ZF sampleundera0.25Tmagneticfield.c)Amagnifiedimageofawirewithinb),ofwhichc1andc2aretwoSAEDpatternstakenonthesurfaceofawireandanacicularnanocrystallite,respectively,andc3isitsHRTEMimage.外磁场诱导下形成的线为直线，无外磁场诱导下形成曲线。1-21SketchofidealprocessofassemblyofacicularNiparticlesinducedbyanexternalmagneticfield.外磁场使针形镍纳米晶沿着易磁化轴111方向一维自组装。易磁化轴111方向与多晶线的长轴方向是一致的。1-22Thehysteresisloopsmeasuredatroomtemperatureforthreesamplesobtaineda)witha0.25Tandb)withoutanexternalmagneticfieldapplied,c)thehysteresisloop(lineofdashes)ofthenanorodspost-synthesismagneticalignmentundera0.25Tmagneticfield.在外磁场诱导下形成的镍多晶线的饱和磁化强度比无外磁场诱导下形成的镍多晶线的饱和磁化强度大。1-23磁场诱导合成磁场诱导合成FeFe3 3O O4 4纳米线纳米线JunWangetal.AdvancedMaterials2004,16,No.21-24工艺流程工艺流程FeCl2H2ONaOHH4N2H2ODistilledwater,degassedwithN2for0.5hAnaqueoussolutionofFe2+ionsN2H4H2OdissolvedwithsodiumhydroxieddroppedslowlyMixedsolutionPutitintoaTeflon-linedstainlessautoclaveKeepedat130for6h,thenCooledtoroomtempreturenaturallyTheproduct1-25N2H4.H2O FeCl2的水热氧化法的水热氧化法Fe2+N2H4 Fe3+NH3Fe2+Fe3+OH-Fe3O41-26XRD pattern of the sample prepared under the XRD pattern of the sample prepared under the induction of a 0.25T magnetic fieldinduction of a 0.25T magnetic field 1-27TEM images for the samples were obtained TEM images for the samples were obtained in zero magnetic field(A),0.25T(B),0.35Tin zero magnetic field(A),0.25T(B),0.35T(C)magnetic field,respectively(C)magnetic field,respectively0.25T:Diameter：35100nm,length：0.482.7m0.35T:diameter:20nm,length:0.8m1-28Representative TEM image of a typical FeRepresentative TEM image of a typical Fe3 3OO4 4 nanowirenanowire(A),inset in(A)shows an ED (A),inset in(A)shows an ED pattern of the individual Fepattern of the individual Fe3 3OO4 4 nanowirenanowire.1-29HRTEM image of the nanowires电子衍射图和高分辨电镜照片可以看出该Fe3O4纳米线是单晶。Fe3O4纳米线晶格条纹间距约为0.48nm，与（111）晶面间距相吻合。确定该纳米线是沿110方向生长。1-30FeFe3 3O O4 4纳米线的生长机理纳米线的生长机理 N2H4.H2O能将能将Fe2+缓慢氧化为缓慢氧化为Fe3+,Fe3+与与Fe2+在碱性的条件下，以在碱性的条件下，以2：1的比例沉淀形成的比例沉淀形成Fe3O4；同时，在磁性诱导作用下沿着同时，在磁性诱导作用下沿着110方向定向生长方向定向生长成成Fe3O4纳米线。纳米线。由于磁铁的磁场强度有限，同时，由于磁铁的磁场强度有限，同时，Fe3+与与Fe2+生生成成Fe3O4较快，造成较快，造成Fe3O4纳米线与颗粒同时存在。纳米线与颗粒同时存在。增加磁场强度达增加磁场强度达0.35T，有更多的纳米线生成。有更多的纳米线生成。说明磁场诱导对磁性物质的形貌产生很大的影响。1-31Magnetic Magnetic hysteresishysteresis curves measured at room curves measured at room temperature for the samples prepared by a temperature for the samples prepared by a hydrothermal process with zero magnetic field(A),hydrothermal process with zero magnetic field(A),0.25T(B)and 0.35T(C)magnetic field0.25T(B)and 0.35T(C)magnetic field1-32磁性能降低的可能原因分析磁性能降低的可能原因分析 有磁样品的饱和磁化强度比无磁样品要有磁样品的饱和磁化强度比无磁样品要低。我们分析其原因可能与纳米线的空间低。我们分析其原因可能与纳米线的空间位阻限域效应有关。位阻限域效应有关。1-33小小 结结利用利用磁磁场诱导下磁性下磁性纳米粒子米粒子线型型组装和装和取向生取向生长，合成一合成一维纳米材料。米材料。这可能是形可能是形成磁性材料成磁性材料阵列化，提高磁性能的重要方列化，提高磁性能的重要方法。法。1-34磁场能诱导磁场能诱导Co，Ni等磁性金属纳米粒子线等磁性金属纳米粒子线型组装型组装磁场能使磁场能使Fe3O4沿易磁化轴方向生长，形成沿易磁化轴方向生长，形成单晶纳米线单晶纳米线CONCLUDING REMARKS