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碳包覆过渡金属基纳米颗粒合成研究发现:碳层结晶度与熔蚀的金属靶材有关

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所液相激光加工与制备实验室在碳包覆过渡金属基纳米颗粒合成方面取得进展,相关成果发表在ACS Applied Nano Materials(DOI:10.1021/acsanm.8b01541)杂志上。

碳包覆过渡金属基纳米颗粒合成研究发现:碳层结晶度与熔蚀的金属靶材有关

近年来,碳包覆纳米材料因其独特的物理与化学性质而倍受关注,例如表面易功能化、抗氧化、抗酸碱腐蚀、不容易团聚等,被广泛应用于磁性数据存储、电催化、生物工程等领域。因此,发展一种简单有效、温和可控的普适性方法制备尺寸均一的碳包覆过渡族金属基纳米材料具有重要意义。


在有机溶剂中激光熔蚀金属靶材已被证明是一种有效的合成碳包覆基纳米材料的新方法,这是由于在激光熔蚀过程中,靶材表面形成的局域高温高压环境(>1 GPa,>5000 K)促进了碳包覆纳米材料的形成。但是,影响碳包覆过渡金属基纳米材料“核”成分的因素以及激光熔蚀过程中碳层的演变过程仍然没有探明。


基于此,固体所液相激光加工与制备实验室以丙酮为有机溶剂,选择不同金属(M=Cu,Ag,Au,Pd,Pt,Ti,V,Nb,Cr,Mo,W,Ni,Zr,Mn,Fe和Zn等)靶材,根据金属与氧的亲和力和碳在金属中溶解度的不同,成功制备出了一系列碳包覆金属单质(M C)、碳包覆金属碳化物(MCx C)以及碳包覆金属氧化物(MOy C)(图1)。


对于惰性金属(M=Cu,Ag,Au,Pd,Pt等)而言,由于其与氧的亲和力极低,且碳在这些金属中的溶解度较低,所以最终形成物为碳包覆金属单质(M C)纳米颗粒。而对于碳在其中溶解度较高,且形成的金属-碳键能较高的金属(M=Ti,V,Nb,Cr,Mo,W,Ni,Zr等),最终获得的产物主要为碳包覆金属碳化物(MCx C)。其中,由于ZrO2相比ZrC具有更高的稳定性,对于Zr金属而言,最终的产物中含有少量的ZrO2;对于Ni金属而言,由于形成的亚稳相Ni3C易于分解生成单质Ni,因此其最终产物含有单质Ni。此外,对于Zn,Mn,Fe等金属,由于其较低的碳溶解度以及易于与氧结合,最终会形成碳包覆金属单质/金属氧化物纳米颗粒(M C/MOy C)。


此外,研究人员在研究激光熔蚀产物表面的碳层时发现,碳层的结晶度与熔蚀的金属靶材有关,且熔蚀过程的二次辐照也会对碳层的结晶度产生重要影响。为了进一步研究碳层演变过程,研究人员选择Pt金属为研究对象,首先在水中熔蚀Pt靶材,获得Pt纳米颗粒,再重新分散到丙酮中进行辐照。由于Pt金属在激光辐照下可以催化分解丙酮形成碳,经过15分钟辐照之后,明显发现颗粒表面形成碳层,增加辐照时间到一小时后,碳层亦变厚,且结晶度大大提高,说明金属的催化作用对于碳层的形成也起着重要作用。相关工作为制备碳层包覆的金属基材料以及理解其形成机理提供了重要参考。


该项工作得到科技部国家重点基础研究发展计划(“973”项目)、中科院装备研制项目、国家自然科学基金、创新团队国际合作计划的资助。

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