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孙世刚院士团队EER最新综述
EEReditor 2018-6-28 10:34
孙世刚院士团队 EER 最新综述 ︱ 低温燃料电池 电 催化剂的合理设计 与 合成 最新综述: 本文以阴极和阳极反应的合理设计为重点,综述了燃料电池质子交换膜( PEMFC )电催化剂的最 新研究成果 。这些设计基于模型表面刻度获得活性中心 , 包括用于阳极电氧化反应的高指数晶面铂和铂合金纳米晶 , 以及用于阴极氧还原反应( ORR )的铂基合金 / 核 − 壳结构和碳基非贵金属催化剂。重点评述了用于阳极催化剂的高指数纳米晶、合金纳米颗粒及其载体效应,着重介绍了阴极催化剂方面具有新颖结构和不同组份的 ORR 电催化剂的最新进展,还综述了碳基非贵金属催化剂的活性中心结构、催化性能及其在燃料电池中的稳定性 。此外,展望了先进燃料电池电催化剂的发展前景和现状。 Rational Design and Synthesis of Low‑Temperature Fuel Cell Electrocatalysts Abstract: Recent progresses in proton exchange membrane fuel cell electrocatalysts are reviewed in this article in terms of cathodic and anodic reactions with a focus on rational design. These designs are based around gaining active sites using model surface studies and include high-index faceted Pt and Pt-alloy nanocrystals for anodic electrooxidation reactions as well as Pt-based alloy/core–shell structures and carbon-based non-precious metal catalysts for cathodic oxygen reduction reactions (ORR).High-index nanocrystals, alloy nanoparticles, and support effects are highlighted for anodic catalysts, and current developments in ORR electrocatalysts with novel structures and different compositions are emphasized for cathodic catalysts. Active site structures, catalytic performances, and stability in fuel cells are also reviewed for carbon-based non-precious metal catalysts.In addition, further developmental perspectives and the current status of advanced fuel cell electrocatalysts are provided. 文章信息 文章将发表于 EER 期刊 2018 年第 1 卷第 1 期,详情请阅读全文,可免费下载。 文章题目 : Rational Design and Synthesis of Low‑Temperature Fuel CellElectrocatalysts 引用信息 : Tian, N., Lu, BA., Yang, XD. et al. Electrochem. Energ. Rev. (2018). https://doi.org/10.1007/s41918-018-0004-1 关键词 : 燃 料电池,铂,非贵金属催化剂,纳米晶,活性中心,电催化 全文链接 : https://link.springer.com/article/10.1007/s41918-018-0004-1/fulltext.html 原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面): Biographies of Authors Na Tian (first author) received her Ph.D. degree from Xiamen University in 2007 and is now a professor at this University. Her research interests focus on metal nanocrystals with high-energy surfaces, electrocatalysts for oxygen reduction reaction, oxidation of small organic molecules,and CO 2 reduction. Bang - An Lu obtained his M.S. from Harbin Engineering University in 2012. He is currently pursuing a Ph.D. program in Physical Chemistry at Xiamen University. His research interests focus on exploring novel oxygen reduction reaction catalysts. Xiao-Dong Yang received his Ph.D. degree in material science and engineering from Xi’an Jiaotong University in 2014, and then spent 3 years as a post-doctoral fellow at Xiamen University. He became a Lecturer at Huaqiao University in 2017. His current research focuses on the development of polymer electrolyte fuel cells and electrocatalysts. Rui Huang obtained her Ph.D. degree from Xiamen University in 2013, and then did 3 years of postdoctoral research at the Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials. She is actually an engineer at the Department of Chemistry. Her research interests include electrocatalysis, controlled synthesis of nanomaterials, and electrochemical in situ FTIR spectroscopy. Yan-Xia Jiang received her Ph.D. degree from Jilin University in 1999, and then joined the department of Chemistry at Xiamen University and was promoted to full professor in 2007. Her current research interests include electrochemical surface science, electrocatalysis and spectroelectrochemistry. Zhi-You Zhou received his Ph.D. degree in 2004 from Xiamen University and is a professor at the College of Chemistry and Chemical Engineering. His research interests include electrocatalysis, non-precious metal catalysts, fuel cells, and electrochemical in situ FTIR spectroscopy. Shi‑Gang Sun (corresponding author) obtained Doctorat d’Etat in 1986 from Université Pierre et Marie Curie (Paris VI), France, and is a professor of chemistry at Xiamen University. His research interests include electrocatalysis, electrochemical surface science, spectroelectrochemistry, and electrochemical energy conversion and storage. He has been elected Academician of Chinese Academy of Sciences, Fellow of Royal Society of Chemistry and Fellow of International Society of Electrochemistry. 杂志介绍 Electrochemical Energy Reviews (《电化学能源评论》,简称EER),该期刊旨在及时反映国际电化学能源转换与存储领域的最新科研成果和动态,促进国内、国际的学术交流,设有专题综述和一般综述栏目。EER是国际上第一本专注电化学能源的综述性期刊。EER覆盖化学能源转换与存储所有学科,包括燃料电池,锂电池,金属-空气电池,超级电容器,制氢-储氢,CO 2 转换等。 EER为季刊,每年3月、6月、9月以及12月出版。 创刊号将在 2018 年3月正式出版。 欢迎关注和投稿 期刊执行严格的同行评议,提供英文润色、图片精修、封面图片设计等服务。出版周期 3个月左右,高水平论文可加快出版。欢迎关注和投稿 。 联系我们 E-mail eer@oa.shu.edu.cn Web http://www.springer.com/chemistry/electrochemistry/journal/41918 http://www.eer.shu.edu.cn Tel 86-21-66136010 长按 /扫描关注EER微信公众号
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[转载]Small Methods:通过凝胶限域策略构筑超细碳化钼纳米晶析氢催化剂
springbamboo 2018-3-23 11:54
原创 2018-03-23 MaterialsViews 氢能是一种可再生的理想能源载体,开发大规模、廉价、清洁、高效的制氢技术是新能源领域产业发展的当务之急。其中,电化学析氢反应(HER)由于环境友好、产氢效率高及所纯度高等优点,被认为是最具有发展前景的产氢技术之一。目前最好的HER催化剂为Pt等贵金属催化剂,其不仅价格昂贵,而且稳定性也亟待提高。因此,发展非贵金属高效析氢催化剂备受人们关注。由于碳化钼(MoC)具有类Pt的d带电子结构,因而碳化钼被认为是一种非常具发展前景可替代Pt贵金属的HER催化剂。然而,碳化钼的制备通常需要在高温下进行,此时碳化钼纳米晶易发生团聚,大大降低了碳化钼的活性位点数量。如果能将碳化钼纳米晶的尺寸限制在几纳米范围内,甚至2nm以下,可以大幅增加活性位点数量,从而有效改善碳化钼的催化活性。 近期,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室 木士春 研究组与新加坡国立大学材料科学与工程系 John Wang 研究组合作报道了利用凝胶SiO2微球作为限域模板制备超细碳化钼纳米晶并作为广泛pH高效析氢催化剂的研究工作。 利用尺寸均一的SiO2微球凝胶作为限域模板,金属源钼酸铵及碳源葡萄糖作为客体,经过水热及高温碳化成功原位制备了碳纳米泡沫负载超细碳化钼纳米晶(平均尺寸低于2nm)。将该材料用作HER催化剂,在10 mA cm-2电流密度下,当pH=0,7,14时,过电位分别为184,174及185mV,Tafel斜率分别为71,105及126mV decade-1。而且,在酸性下,催化剂的交换电流密度远高于未经SiO2限域合成的碳化钼纳米晶,并优于大多数目前报道的Mo基催化剂。同时,该催化剂在广泛pH下表现了优异的抗团聚性能及电化学稳定性。 相关研究成果已发表于 Small Methods ( DOI10.1002/smtd.201700396 ), 第一作者 寇宗魁 2017年在武汉理工大学材料科学与工程学院获得博士学位,现为新加坡国立大学材料科学与工程系博士后,共同第一作者 王婷婷 和 蔡祎 分别为武汉理工大学材料科学与工程学院博士生和南洋理工大学材料科学与工程学院博士后。
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[转载]木士春教授在高指数晶面金属碳化物纳米晶合成方面取得突破
springbamboo 2017-6-6 18:05
我校木士春教授在高指数晶面金属碳化物纳米晶合成方面取得重大突破 发布:武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室 时间:2017-06-06 近日,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室首次成功实现了稳定的高指数晶面金属碳化物纳米晶的可控制备,相关研究成果发表在纳米能源领域著名期刊《Nano Energy》上( Constructing carbon-cohered high-index (222) faceted tantalum carbide nanocrystals as a robust hydrogen evolution catalyst . Nano Energy, 2017, 36, 374-380. IF=11.553)。文章的第一作者为博士研究生寇宗魁,通讯作者为木士春教授。 作为一种新型、清洁、高效的能源载体,氢气被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。近年来,过渡金属碳化物由于具有类铂的d电子结构,被认为是一种极具潜力的低成本非Pt析氢(HER)电催化剂。前期研究表明,高指数晶面纳米晶材料因具有低配位的台阶、扭结原子,可以大幅改善材料的电催化活性。因此,获得高指数晶面金属碳化物纳米晶成为提升金属碳化物HER催化活性的最有效途径。然而,高指数晶面纳米晶体因具有非常高的表面能,难以稳定存在。因此,迄今未见有具有高指数晶面金属碳化物纳米晶的相关研究报道。 最近,我校木士春教授等研究人员利用他们前期创建的氯气-碳化物非完全反应机制,在高温下采用氯气部分刻蚀掉TaC块体微裂纹处的Ta原子,成功将TaC块体原位剪切为具有多孔碳层保护的TaC 高指数(222)晶面纳米晶。除了在TaC高指数(222)晶面上原位形成多孔碳层外,由于氯气与TaC不同晶面之间高温反应动力学的差异性,在高指数(222)晶面与原位形成的多孔碳层之间还形成了一层过渡层。该多孔碳层和过渡层的存在有效地避免了高指数晶面因具有超高的表面能在高温反应或后续的电化学反应过程中进一步演化、消失。 通过密度泛函理论(DFT)计算并结合实验研究表明,与常见的TaC材料相比,拥有高指数(222)晶面稳定结构的TaC纳米晶表现了非常优异HER性能。在0.5 M H 2 SO 4 电解液中,该电催化剂仅需要146 mV的较低过电位即可获得10 mA cm -2 的析氢电流密度。此外,受益于原位形成的多孔碳层和过渡层的双重保护作用,TaC高指数(222)晶面纳米晶在电催化制氢中表现出优异的电化学稳定性。 上述研究工作独辟蹊径,通过利用氯气与碳化物不同晶面的高温反应动力学差异性,解决了碳化物纳米晶高指数晶面在合成及催化反应过程中难以稳定存在的难题。该重大研究成果将为今后制备具有高指数晶面的金属碳化物纳米晶体材料的制备提供了一种全新的思路。
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[转载]Materials Views:首次应用于锂离子电池负极材料的Na-Mn-O纳米晶
热度 1 springbamboo 2017-3-2 15:59
Wiley Materials Views 首次应用于锂离子电池负极材料的Na-Mn-O纳米晶 2017-03-02 随着对混合电动汽车、便携式电子设备以及可再生能源大规模存储系统的需求的不断增长,开发出一种能大大超过现有的锂离子电池(LIBs)技术的高效电极材料成为了一个巨大的挑战。因此,迫切需要研发出一种具有高能量密度,高功率密度和超长循环寿命的高性能负极材料。近年来,一些新型负极材料,如硅/锡基合金、金属氧化物、金属氢化物、金属硫化物和金属磷化物相关的合金化材料被研究者们广泛报导。虽然这些新型负极材料的比容量得到提高,但其倍率性能及循环稳定性仍需要进一步改善。 锰氧化物由于具有低成本,适用性强,无毒性和安全性高等独特性质,被认为是应用于可再充电能量存储装置最具有潜力的电极材料之一。其中,水钠锰矿是一种具有如Na+、K+和Li+等阳离子的多晶型锰氧化物,由于其具有多种氧化态的独特结构而富集氧化还原反应,引起了学者们强烈的研究兴趣。值得关注的是,位于Mn-O原子层间的不同量的水分子可与阳离子共存,形成了MxMnyO2∙nH2O(M = Na+、K+和Li+)型的多样性化合物,有利于在制备过程中对晶胞参数进行有效的调控。然而,将这种含结晶水的材料应用于锂离子电池电极的相关研究鲜有报道。 近期,武汉理工大学 木士春 研究课题组设计了一种新型的Na-Mn-O晶体材料,并对其结构特性和电化学性能进行了详细的研究和分析。 该材料起源于MnO2纳米棒,并经历两次物相转变而成。与以往应用于电池电极的锰系氧化物材料不同的是,合成出的材料含有12.5%的结晶水。令人惊奇的是,该材料作为负极组装成纽扣电池后,表现出了非常优异的电化学性能:在连续的循环与倍率测试过程中最高可达2147 mAh/g的超高比容量(电流密度为0.1 A/g);而在4 A/g大电流密度下,经过2000次循环后仍保持547 mAh/g的容量。XRD分析进一步证实了该晶体材料在锂离子嵌入/脱出过程中未发生物相转变,其晶格参数的计算结果表明晶格体积变化2%,在电化学条件下展现了出色的结构稳定性。此外,对该样品进行脱水处理后,其电化学性能减弱,揭示了结晶水对提高该材料的电化学性能也有着重要的促进作用。这是首次将含结晶水材料应用于锂离子电池负极。 除了应用于储锂,该水合Na-Mn-O纳米材料还在超级电容器、催化剂以及其它电池在内的能量转换和存储领域具有非常大的应用前景。 武汉理工大学 麦立强 课题组也参与了部分研究工作。 相关论文已在线发表在《先进能源材料》( Advanced Energy Materials, 2016, DOI: 10.1002/aenm.201602092 )上。 该新闻报道出处:http://www.materialsviewschina.com/2017/03/24366/
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新型纳米晶催化材料在绿色化学中的应用
sciencepress 2015-8-7 15:14
《国家科学评论》2015年第2期“Catalysis - Facing the Future”专题 Pt 3 Ni 纳米晶的透射电镜图片 目前,在纳米材料合成技术日臻成熟以及表征手段不断丰富的基础上,各国科学家逐渐认识到催化过程与催化剂的尺寸、形貌、组成、元素空间分布等因素有着内在的联系。 纳米催化作为一门古老又年轻的学科,是当前重要的科学研究方向。纳米晶具有尺寸形貌单一、晶面组分可调、元素分布均匀等优势,以及具有一些特殊的物化性质。利用纳米晶的这些特性,以明确构效关系和设计高性能催化剂为目的、系统研究其催化性能,是当前多相催化领域的研究热点。 由清华大学化学系 李亚栋 院士、 王定胜 副教授、 刘雨溪 博士和 赵国锋 博士共同撰写的综述文章“ 新型纳米晶催化材料在绿色化学中的应用 ”已在 《国家科学评论》 2015年第2期发表。 这篇综述简述了纳米晶做为绿色催化剂近年来的发展历程,阐述了以贵金属及金属氧化物为代表的纳米晶材料在环境污染物消除、精细化学品合成等催化领域的基础研究探索。 重点介绍了四类催化反应(包括一氧化碳氧化、醇选择性氧化、炔烃选择性加氢以及不饱和醛酮的选择性加氢)中纳米晶催化剂与其性能之间构效关系方面的最新研究进展,展望了这类人工原子材料的未来发展趋势。为我们从原子水平上认识催化剂提供了可能,同时也为新型高效催化剂的设计奠定了一定基础。 近年来李亚栋教授课题组在先进纳米材料的可控合成、组装及其应用探索领域开展了深入的研究。 例如,建立了制备规整水溶性合金纳米晶的新策略,发展可控的化学腐蚀方法,首次利用纳米晶的缺陷效应实现了三金属纳米晶的可控合成,可有效地调控催化选择性。此外,建立了水溶性制备单原子层二维金属结构纳米晶的新策略,成功制备出第一例具有单原子层厚度的纳米金属铑片,并发现存在的新型离域化学键,有助于稳定其单层金属结构。 这些实例表明,设计并调控具有规整形貌的纳米晶催化剂,并研究其特殊的催化性能具有重要的理论意义和应用价值。 欢迎到刊物网站看专题文章 http://nsr.oxfordjournals.org/content/2/2.toc 《中国科学》杂志社微信公众号 关注请加: scichina1950 中国科学杂志社 或扫描识别二维码:
个人分类: 国家科学评论|5835 次阅读|0 个评论
缺陷的完美
热度 2 MinYi 2013-7-27 23:20
缺陷的完美 ​——铜纳米晶中的共格孪晶界-All about imperfections 纳米晶中的共格孪晶界对材料的强度、韧性等特性具有及其关键的影响,但是在研究这些特性时,往往假设共格孪晶界为一个理想的无缺陷界面。 缺陷二字,对于研究材料力学性能的人可谓再也熟悉不过了,无论何种材料,其本征力学性能一般都会因缺陷的存在而难以被测量出。早在二十世纪初,Griffith就专门研究了缺陷条件下玻璃的断裂韧度,由此开启了断裂力学的大门,其采用的能量释放率的观点至今仍被奉为经典。直至后来的Orowan涉及的塑性能释放率,以及哈佛固体力学大牛Rice的大名鼎鼎的J积分理论,都受到Griffith观点的影响。 随着纳米材料的兴起,“缺陷”二字继续延伸至各种纳米材料,有人通过制备纳米材料获得了其本征强度,有人通过纳米尺度化实现了材料的缺陷大幅降低,也有人在纳米材料中发现了其依然存在缺陷或迥异的变形与破坏机理。有关实验的,尤其是计算的研究结果,蔚为壮观。 纳米晶是提高材料力学性能的一个香饽饽,其中的孪晶更引人注目。假设共格孪晶界为理想界面来研究许多问题,虽然在很多时候可以得到很好的解释,但是若突破这一默认的“理想”假设,顺着“缺陷”的思路,那么共格孪晶界是否存在缺陷呢?在实验和计算上是否可以实现或观察到这种缺陷呢?这种缺陷对纳米晶的性能又有何特殊影响呢? 最近,美国苏伦斯国家实验室的研究人员就突破了“理想”假设的束缚,通过实验和计算,在铜纳米晶的共格孪晶界中发现了扭结状台阶缺陷,这些缺陷包含着非共格孪晶界和位错,进而发现这些缺陷对铜纳米晶的变形机理和力学行为有关键性影响。 注:以下视频和文件均为转载,非本人原创,版权在出版社。 附上全文 Defective twin boundaries in nanotwinned metals.pdf Nanotwinned metals-It's all about imperfections .pdf 计算结果视频地址 http://v.youku.com/v_show/id_XNTg4MzQ1ODg0.html http://v.youku.com/v_show/id_XNTg4MzQ1OTU2.html http://v.youku.com/v_show/id_XNTg4MzQ2MDQ4.html http://v.youku.com/v_show/id_XNTg4MzQzNDgw.html http://v.youku.com/v_show/id_XNTg4MzQzNTI0.html
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无序固溶体纳米晶中的反常尺寸依赖上转换发光
热度 1 fjirsmdqchen 2013-2-6 10:20
无序固溶体纳米晶中的反常尺寸依赖上转换发光
通常情况下,纳米颗粒尺度越大,表面所占比例越小;若在其中掺杂 Yb/Er 稀土离子后,可观察到随着颗粒尺度增大,其上转换红 / 绿光发射比降低。这主要是由于 Er 离子红光发射能级受表面影响较大的原因。 最近,我们在 CaF 2 -LnF 3 (Ln=Yb, Lu) 无序固溶体纳米晶中掺杂 Er 离子后发现,随着纳米晶尺度增加,其上转换红 / 绿发射比反而急剧增强。基于无序固溶体结构分析,我们把观察到的反常尺寸依赖上转换发射归因于掺杂的 稀土离子在 基体形成团簇的结果;这种稀土团簇有利于 Er 离子发生能量传递,从而促进红光发射的增强。相关研究结果发表在英国物理学会《纳米技术》上( Nanotechnology, 2013, 24, 085708(8pp) )。
个人分类: 科学研究|4346 次阅读|1 个评论
具有内禀单带上转换发光特性的Yb/Er(Tm): Na3Zr(Hf)F7纳米晶
热度 5 fjirsmdqchen 2012-9-12 08:45
具有内禀单带上转换发光特性的Yb/Er(Tm): Na3Zr(Hf)F7纳米晶
近年来,镧系离子掺杂上转换纳米晶材料在生物标记、太阳电池、固态激光与三维显示等方面具有潜在应用前景而受到广泛的关注。众所周知,镧系离子能级丰富,将它们掺杂在合适的基体中,可以实现紫外到红外的多波段发射。但是,这种多带发射将导致能量分散(不集中),因此不利于实现镧系离子特定能级的高效发光。最近,我们采用溶剂热法成功合成了一类单分散 Na 3 MF 7 (M=Zr, Hf) 氟化物纳米晶;将 Yb/Er( 或 Yb/Tm) 共掺杂到 Na 3 MF 7 晶格中后,在 980 nm 激光激发条件下,可以观察到内禀的单带红色(~ 650 nm )或近红外(~ 800 nm )上转换发光。与传统的 Yb/Er: NaYF 4 纳米晶相比,所研制的纳米晶的红光发射强度提高 5 倍左右。我们认为镧系离子在 Na 3 MF 7 基体中形成团簇是导致这类材料易于出现单带上转换发光的原因。相关研究结果发表在英国《化学通讯》上( Chem. Commun., 2012, DOI: 10.1039/C2CC35480B. ) 全文链接: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/cc/c2cc35480b
个人分类: 科学研究|5847 次阅读|11 个评论
可望用于太阳电池的超宽带近红外激发上转换核-壳结构纳米晶
热度 4 fjirsmdqchen 2012-4-26 11:20
可望用于太阳电池的超宽带近红外激发上转换核-壳结构纳米晶
太阳电池的红外透过损失是限制电池效率提高的重要因素之一。通过上转换发光材料将不能被电池利用的红外光子转换成可被电池吸收的光子是提高电池效率的一种新方法。 基于该思路,最近我们首次合成了一种新颖的 Er 3+ : NaGdF 4 @Ho 3+ : NaGdF 4 @NaGdF 4 核 - 壳结构纳米材料。这种结构设计能够有效地抑制 Er 3+ 与 Ho 3+ 离子间不利的交叉驰豫过程,从而同时实现强的 Er 3+ 和 Ho 3+ 的上转换发射。纳米晶的上转换激发波段可覆盖 1140-1250nm 和 1480-1600nm 范围,而发射波长位于可见和近红外( 500-1100nm )区域;因此,通过近一步优化结构提高发光性能,可望将其应用于硅太阳电池,降低红外透过损失。相关研究结果发表在英国《化学通讯》上( Chem. Commun., 2012, 48,5898-5900. ) 全文链接: http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/CC/c2cc32102e
个人分类: 科学研究|6308 次阅读|7 个评论
镧系离子掺杂诱引形成单分散超小核壳结构双模发光纳米晶
热度 4 fjirsmdqchen 2011-11-26 17:09
镧系离子掺杂诱引形成单分散超小核壳结构双模发光纳米晶
近年来,研究发现液相反应体系中离子掺杂可以有效地 “ 宽幅 ” 调控纳米晶显微结构(包括相结构、组分、尺度和形状等),这将为纳米材料可控合成提供了一个崭新的途径。最近,我们采用溶剂热法制备了~ 3 nm 细小的 Ln 3+ : BaF 2 纳米球作为核心,随后通过热分解法在其表面生长同构的 SrF 2 壳,发现在壳层中掺入 Ln 3+ 离子后,可以非常明显地抵制壳层的非均匀生长,从而获得超小的(~ 7nm )、形状和尺寸均一的、单分散的 Ln 3+ : BaF 2 @ Ln 3+ : SrF 2 核壳结构纳米立方块;这种新颖的核壳结构具有双模发光特性:即在保证核层上转换发光强度提高的同时,还能设计实现壳层也具有特定的发光。 相关研究结果发表在英国 J . Mater. Chem. 杂志 上( J. Mater. Chem. , 2012, 22,2632-2640 ) 。 全文链接: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/jm/c1jm14589d
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晶种氯化法制备单分散上转换发光Yb/Er: MFCl纳米晶
fjirsmdqchen 2011-8-31 09:40
晶种氯化法制备单分散上转换发光Yb/Er: MFCl纳米晶
近年来,稀土离子掺杂的单分散上转换无机纳米晶因其在生物荧光标记、热疗等方面具有潜在的应用前景而得到大家的广泛关注。为了提高纳米晶的上转换发光效率,稀土掺杂的基体材料的选择十分的关键。一般而言,基体材料的声子能量越低,掺杂离子的无辐射跃迁几率也越低。目前常用的稀土上转换发光的基体材料为氟化物。最近,我们采用晶种氯化法合成出了单分散的碱土氟氯化物纳米晶( MFCl , M=Ca, Sr, Ba ),这是一类声子能量介于氟化物与氯化物之间,且物化性能稳定(不潮解)的基体材料。我们首先采用热分解法制备出 MF 2 纳米晶,随后在溶液中加入三氯乙酸、并控制反应条件实现对氟化物的部分氯化,最终实现 MFCl 纳米晶的可控制备(如图所示)。发光谱测量表明:与同尺度的 Yb/Er: SrF 2 纳米晶相比, Yb/Er: SrFCl 纳米晶的上转换发射强度提高一倍。相关研究结果发表在英国《化学通讯》上( Chem. Comm. 2011, 47, 11083 ) 全文链接: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/cc/c1cc13763h
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异价离子掺杂调控氟化物纳米晶相结构的研究取得新进展
热度 2 fjirsmdqchen 2011-4-13 11:05
异价离子掺杂调控氟化物纳米晶相结构的研究取得新进展
众所周知,离子掺杂是赋予材料光、电、磁等性能的有效手段之一。 典型的例子如作为红宝石激光器光学增益介质的 Cr3+ 离子掺杂的氧化铝晶体以及引发了微电子信息革命的 P 型和 N 型掺杂的半导体材料。目前,许多研究工作侧重于纳米材料的基体结构和尺度等的变化对掺杂离子行为的影响。但是,反过来,针对掺杂离子对纳米晶成核与生长过程的影响,并对最终形成的纳米晶显微结构影响的研究则非常少。 最近,我们通过在镧系三氟化物( LnF3 , Ln=La, Ce, Pr )纳米晶中掺杂高浓度( 20mol% )的二阶碱土离子( M2+ =Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ 用来替代 Ln3+ 离子),实现了六方结构的 LnF3 纳米晶向立方结构的 Ln0.8M0.2F2.8 纳米立方块的相转变 (如图 1 所示) ; 其相转变机理在于:当 M2+ 替代 Ln3+ 时需要引入空位来补偿体系的电荷平衡,因此,引入高浓度的 M2+ 后会在纳米晶中产生大量的空位,从而导致六方 LnF3 晶核结构坍塌形成立方结构晶核并最终长大成纳米立方块;此外,通过异价离子掺杂诱引相变和组分变化后,我们还发现由于激活中心(如 Yb/Tm )在立方 相中的多占位性导致其能量传递相互作用增强,从而实现上转换发光强度提高约 15 倍左右。相 关研究结果在 Chem. Commun., 47, 2601 (2011) 上 发表文章一篇 。 图 1 、掺杂二价碱土离子前后氟化铈( CeF3 )纳米晶的相结构、组分与形状的变化 六方结构氟化钇钠( NaYF4 )是目前所报道的上转换发光效率最高的基体材料。在常规的液相反应体系中,需要在较高的温度( 200 ~ 300 ℃ )下才能合成出纯的六方结构 NaYF4 纳米晶。最近,我们通过在液相反应体系中掺杂 Ti4+ 离子,发现在较低温度( 130 ℃ /12h )下就能完全实现立方结构 NaYF4 纳米晶向六方结构纳米棒的相转变(如图 2 所示);其相转变机理在于掺杂的 Ti4+ 离子具有高的水解能力,因此粘附在纳米晶表面的 Ti4+ 离子起到聚集立方结构 NaYF4 纳米晶并促进其快速长大的作用,而长大的立方 NaYF4 纳米颗粒在临界尺度会自发地向六方结构产生相转变。相 关研究结果在 Chem. Commun., 47, 5801 (2011) 上 发表文章一篇 。 图 2 、 Ti4+ 离子掺杂诱导 NaYF4 纳米晶相结构、尺度和形状变化的透射电子显微镜明场像,插图为对应样品的能谱图 全文链接1: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/cc/c0cc04846a 全文链接2: http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2011/cc/c0cc05722c
个人分类: 科学研究|7609 次阅读|2 个评论
一种通过掺杂异价离子实现纳米晶尺度调控的新途径
fjirsmdqchen 2010-7-16 09:20
纳米材料掺杂的研究受到人们的广泛关注。在液相合成体系中,杂质离子如何改变纳米基体材料的生长过程,掺杂对纳米材料微结构将产生什么作用,能否通过掺杂实现具有特定功能纳米材料的结构调控等等,这些问题近年来成为纳米材料研究的热点和前沿之一。 我们课题组通过精心设计实验方案,研究了液相体系中稀土离子(Ln3+=La3+-Lu3+, Y3+)对碱土金属氟化物(CaF2, SrF2, BaF2)纳米晶生长过程的影响,发现稀土掺杂可改变氟化物晶相的尺度和形态,获得具有可见上转换发光和室温顺磁性的单分散超小双功能纳米球;提出了基于异价离子置换的纳米晶掺杂结构调控机理(异质掺杂导致纳米晶表面形成瞬态偶极子,对纳米晶生长起到调控作用),并对其普适性做了系统性的实验验证,该研究结果对实现液相体系功能纳米材料的结构调控具有一定的指导作用。相关研究结果以通讯方式发表在美国化学会志上(J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 9976)。 全文链接: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja1036429?prevSearch=%255BContrib%253A%2Bchen%2Bdaqin%255DsearchHistoryKey =
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科普“破镜重圆”(配爱情诗)
cwhm 2010-5-7 16:21
大家都知道现在的纳米研究很火很热,连小孩都在问大人纳米怎么吃呢,呵呵。可能大家并不知道为什么要研究纳米,我是做纳米材料力学的,我们研究纳米材料就是为了获得更高更强更韧的材料。而纳米材料就有这方面的潜能,中科院金属所卢柯的工作就是这方面的,而且还发表了不少的Nature和Science,还获得两次国家科技十大进展。 我们知道金属材料是由晶粒组成的,一个个晶粒就是单晶,晶粒之间通过晶界连接,这样就构成了我们的多晶金属材料。但是对于金属材料,我们期待它有更高的强度,就是说它能承受更高外力而不至于塑性屈服和断裂。20世纪50年代在金属强化理论有个划时代的理论就是霍尔-派奇(Hall-Petch)公式,它描述了材料的强度与晶粒尺寸的平方根成反比,这样就是说晶粒尺寸越小,材料的强度就越高。 那么怎么获得小尺寸的晶粒呢,有很多方法,这里只介绍一种最简单也最容易理解的方法。既然原先的材料是晶粒尺寸比较大的,那好我们就想办法把材料敲碎,比如我们用球磨机对材料进行粉碎性碾磨,过它几十个小时,那些碾压后的粉末大概就是纳米量级了,你再想办法把这些粉末再重新给粘结起来,这样就成了纳米多晶,是不是很简单。 由上面的金属机械碾磨纳米化的过程,我们可以看到是有两个过程构成的晶粒碎化,然后就是细晶重组,这样就成了高强的纳米晶,上面可能还是有些不够通俗,形象点说就是破镜重圆吧,就是把碎了的镜子再粘合在一起,可见金属的纳米化破镜重圆可以让金属强度更强。 谈点生活吧,破镜重圆让我们最容易想到的是感情,破镜重圆有这样一个历史典故破镜重圆:南朝陈代将要灭亡时,驸马徐德言将铜镜破开两半,跟妻子乐昌公主各藏一半,作为信物。后来果然由这个线索而得以夫妻团聚。,这里我也写了一首爱情诗,呵呵,我这不叫诗,因为我压根没读过诗更不知道诗怎么写,只知道近代诗比古代诗好写,而且字数没严格约束而已; 《破镜重圆 》 嫦娥奔月万年梦 破镜重圆千日情 相守百年共婵娟 天河两相望 重铸磐石情 情坚意韧重归好 魔镜告诉我 你是天底下我最爱的人 鹊桥含枝,情河见 泛湖西州,我拉纤
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染料敏化纳米晶太阳能电池
jimmydz2005 2010-4-29 21:47
染料敏化太阳能电池(DSSC),也称为Gratzel cell 。目前最成功的是Gratzel等人提出的染料敏化纳米二氧化钛薄膜为光阳极的太阳能光电池(简称为Gratzel电池),其光电转换效率在模拟日光照射下(AM1.5,1000Wm -2 )已达10%。电极材料TiO 2 具备价格便宜、制备简单、无毒、稳定、应用范围广,且抗腐蚀性能好。但其禁带宽度为3.2eV;吸收范围都在紫外区,因此需要染料敏化。为了吸附更多的染料分子,必须制备多孔、大比表面积的纳米TiO 2 薄膜电极。 多孔纳米 T iO 2 薄膜的制备方法主要有两种:溶胶-凝胶法和由二氧化钛超细粉制得。如由二氧化钛纳米管,碳纳米管阵列的制备已产生了各种方法,包括沉积到一个纳米多孔氧化铝模板;溶液凝胶法以有机凝胶因子作为模板,在水浴中进行种子生长。 同时Gopal等人还发现,添加额外的乙酸到阳极电解液可以改变二氧化钛纳米管的脆性,改善使用时易损坏的倾向,提高其机械强度。此外, 在硼酸环境中制备的钛纳米管表现出紫外光电转化效率为7.8%,在580℃ 退火制得的 6 微米的纳米管阵列表现出最高的转化效率 为12.25%。 此外, Mane 等人研究的 TiO 2 /ZnO 薄膜电极的染料敏化太阳能电池,通过采用化学浴沉积技术制得TiO 2 /ZnO系统禁带宽度为3.2 eV ,敏化的 TiO 2 /ZnO 电池有一个25min的短路电流稳定期 ,设备的光电转换效率为0.67 %。 染料敏化纳米薄膜太阳能电池多采用液态电解质作为电荷传输材料。液态电解质的选材范围广,电极电势易于调节,因此取得了一定成果。但液态电解质有以下缺点:(1)液态电解质的存在易导致敏化染料的脱附;(2)溶剂挥发,可与敏化染料作用导致染料降解;(3)密封工艺复杂,密封剂也可能与电解质反应。 对于全固态太阳能电池,目前最常用的是空穴传输材料一般为p型。p型半导体材料应满足:(1)在可见光区(染料的吸收范围)内必须是透明的;(2)沉积p型半导体材料的方法不能使吸附在 TiO 2 纳米晶体上的染料溶解或降解;(3)染料的激发态能级在 TiO 2 导带之上,而基态能级在p型半导体价带之下。 参考: 1. 陈振兴. 高分子电池材料. 北京:化学工业出版社,2006 2. Gopal K. Mor, Oomman K. Varghese et al. Solar Energy Materials Solar Cells 90(2006),2011-2075 3. Rajaram S. Mane, Won Joo Lee, et al. J.Phys.Chem. B 2005,109,24254-24259
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透明纳米结构玻璃陶瓷发光材料
fjirsmdqchen 2009-12-28 13:08
近年来,透明纳米结构玻璃陶瓷因其在光通讯、激光、固态三维显示和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景,而成为光学材料领域的研究热点之一。透明玻璃陶瓷是一类 通过玻璃的受控晶化而形成的由特定纳米晶相和玻璃基体构成的复合材料,比如近年来研究较多的氟氧化物玻璃陶瓷纳米复合材料。其 优点在于: (1) 具有晶体高的发光效率; (2) 具有无机玻璃高的机械强度、化学稳定性和易于加工的特点; (3) 相对于晶体材料,制备技术简单、周期短、成本低。 研究的核心问题:获得均匀分布于玻璃基体的特定纳米晶相,且稀土离子进入晶相环境。 一般采用熔体急冷法和后续晶化处理来获得玻璃陶瓷,其典型流程如下图所示: 下面介绍几个本人在玻璃陶瓷方面的工作实例 1、 玻璃陶瓷的纳米晶化和稀土分离 通过组分调整与晶化控制,在同一硅铝氧化物玻璃基体中成功析出单分散分布的镧系三氟化物( LnF 3 , Ln=La-Lu )纳米晶; 从玻璃网络结构、组元间键能关系以及镧系元素半径收缩原理出发,成功地解释了析出晶相存在二形性转变的现象 。 玻璃陶瓷的显微结构照片,可以看出晶粒较均匀地分布在玻璃基体上。 相关工作参考: CrystEngComm, 11, 1686 (2009) 小结: 通过选择合适的前驱玻璃组成和晶化条件,可以获得具有接近理想结构的透明纳米结构玻璃陶瓷复合材料。该类材料的显著特征在于:( 1 )纳米晶相具有较大的选择性;( 2 )稀土离子富集于纳米晶中有利于促进离子间的相互作用。 因此,材料在实现新颖上转换、量子剪裁下转换、敏化发光等方面具有独特的优势。 针对既有的玻璃陶瓷体系,通过进一步改善显微结构和提高物性,可望开发其在短波长(紫外 - 蓝光)上转换激光器、 太阳能电池 和 固态照明 等方面的潜在应用。
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我的这五年(2)
cdgu 2009-7-26 12:34
一个偶然的机会,其实是跟着李老师做一个小项目:电镀金刚石锯片。发现通过调整镀液中添加剂的成分,可以得到纳米晶结构的镀层。当时,关于纳米晶变形机制的研究也算是如火如荼,主要也在于纳米晶结构材料的制备得到了突破。我最崇拜的就是金属所的卢柯院士课题组,他们采用电沉积的方法首次制备了室温超塑性的纳米晶铜和高强高塑高导电性能的纳米孪晶铜。其实我对材料的力学性能知之甚少,但我的导师连建设教授眼光敏锐,当年他在法国的时候就已经与现在的SPD鼻祖Valiev合作过,当得知我们也可以电沉积镍和镍钴合金之后,就给我讲了很多关于纳米晶变形有意思的研究,而且也提出很多值得做的课题设想。我被连老师的渊博知识,还有纳米晶变形的奇异特性深深吸引。所以决定放弃镁合金的耐腐蚀研究,转入到纳米晶结构材料制备与力学表征的研究课题之中。 这是一个非常痛苦的学习过程,包扩相关的力学知识和样品的测试表征。纳米晶样品倒是很容易制备,但要做小样品的拉伸试验,必须将其表面进行抛光,这是一个很累人的工作。这方面我从江中浩老师身上学到了很多,江老师做事非常仔细认真,我个性比较着急。但抛试样是需要耐心加耐心的工作,在江老师的鼓励和指点之下,我终于做出了合格的试样。其实最艰苦的还是材料的结构表征。因为当时学校里的TEM、SEM资源有限,所以连老师就开车载着我到工学院去做表证。现在想起来,那也真是一段难忘的经历。没有连老师的鼓励与帮助,我估计很难有相关的成果出来。 数据分析费了好长一段时间,因为当时国际上关于纳米晶镍的研究报道简直是铺天盖地,想找到突破口非常的难。还好我们自己制备样品,这个条件具有唯一性。另外,我们抓着应变速率敏感性这一点进行大量的实验,得到丰富的数据,终于我的第一篇关于纳米晶变形的文章被Script Mater接收发表了。有了这个突破口,剩下的工作就是继续细化,继续挖掘数据的过程了。总之,还好,在连老师的指导下,在博士毕业的时候发表了7篇相关的文章,列表如下: Gu C, Lian J, Jiang Z, Jiang Q. Enhanced tensile ductility in an electrodeposited nanocrystalline Ni. Scripta Materialia 2006;54:579. . PAGEREF _Toc234372349 \h 3 Gu C, Lian J, Jiang Z. High strength nanocrystalline Ni-Co alloy with enhanced tensile ductility. Advanced Engineering Materials 2006; 8:252. . PAGEREF _Toc234372350 \h 4 Gu C, Lian J, Jiang Q, Jiang Z. Ductile-Brittle-Ductile transition in an electrodeposited 13 nanometer grain sized Ni-8.6wt.%Co alloy. Materials Science and Engineering A 2007; 459:75. PAGEREF _Toc234372351 \h 4 Lian J, Gu C, Jiang Q, Jiang Z. Strain rate sensitivity of face-centered cubic nanocrystalline materials based on dislocation deformation. Journal of Applied Physics 2006;99: 076103. . PAGEREF _Toc234372352 \h 4 Gu C, Lian J, Jiang Q. Layered nanostructured Ni with modulated hardness fabricated by surfactant-assistant electrodeposition. Scripta Materialia 2007;57:233. C. Gu, J. Lian, Q. Jiang, W. Zheng, Experimental and modeling investigations on strain rate sensitivity of an electrodeposited 20 nm grain sized Ni, J. Phys. D 40(2007) 7440-7446. Lian J, Gu C, Li G, Jiang Q. Strain rate sensitivity and activation volume of electrodeposited nanocrystalline Ni and Ni-Co alloys. Rare Metals; Volume: 26 Special Issue: Sp. Iss. SI Pages: 134-138 Published: AUG 2007 (未完待续)
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纳米技术在磁性材料中的应用
ibnsmm 2009-1-15 13:53
原文:http://hi.baidu.com/sjzzlh/blog/item/9ce5cb0066df7e84e850cd68.html 纳米技术是近年来崛起的一门崭新技术,它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的,是一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术。纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域,现已成为当今世界活跃的研究热点之一。所谓纳米技术(nanotechnology)是指在纳米尺度(0.1~100nm)上,研究物质(包括原子和分子)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科相互渗透的高新技术。它使人类的认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子水平,其最终目标是以物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,使之微型化,实现生产方式的跨越式发展。将对人类产生深远的影响,改变人们的思维和生活方式。 纳米技术的领域主要为纳米材料学、纳米物理学、纳米电子学、纳米机械学、纳米制造学、纳米生物学、纳米显微学、纳米计量学、纳米摩擦学和微电子机械系统(MEMS)等。在磁性材料中,纳米技术可用于纳米晶软磁材料、纳米晶永磁材料、纳米磁流体、纳米信息存储材料、纳米吸波磁性材料、纳米巨磁致伸缩材料等。 纳米晶软磁材料 纳米晶软磁材料一般是指材料中晶粒尺寸减小到纳米量级(一般 50nm)而获得高起始磁导率(i~105)和低矫顽力(Hc~0.5A/m)的材料。一般是在Fe-B-Si基合金中加少量Cu和Nb,在制成非晶材料后,再进行适当的热处理,Cu和Nb的作用分别是增加晶核数量和抑制晶粒长大以获得超细(纳米级)晶粒结构。纳米晶软磁材料由于其特殊的结构其磁各向异性很小,磁致伸缩趋于零,且电阻率比晶态软磁合金高,而略低于非晶态合金,具有高磁通密度、高磁导率和低铁损的综合优异性能。 纳米晶软磁材料是1988年由日本日立公司的吉泽克仁及同事发现的,他们将含有 Cu、Nb的Fe-Si-B非晶合金条带退火后,发现基体上均匀分布着许多无规取向的粒径为10~15nm的-Fe(Si)晶粒。这种退火后形成的纳米合金,其起始磁导率相对于非晶合金不是下降而是大幅提高,同时又具有相当高的饱和磁感应强度,其组成为 Fe73.5Cu1.0Nb3.0Si13.5B9.0。他们命名这种合金为Finemet,Finemet的磁导率高达105,饱和磁感应强度为 1.30T,其性能优于铁氧体与非晶磁性材料。用于工作频率为30kHz的2kW开关电源变压器,重量仅为300g,体积仅为铁氧体的1/5,效率高达 96%。Fe-Cu-Nb-Si-B系纳米材料能够获得软磁性的重点原因是:在Fe-Cu-Nb-Si-B纳米材料中,-Fe(Si)固溶体晶粒极为细小,每个晶粒的晶体学方向取决于随机无规则分布晶粒间的交换耦合作用,这种交换耦合作用的结果使得局域各向异性被有效地平均掉,致使材料的有效磁各向异性极低。 吉泽克仁的发现掀起了世界范围纳米晶软磁材料的研究热潮。继Fe-Si-B纳米微晶软磁材料后,90年代,Fe-M-B,Fe-M-C,Fe-M-N,Fe-M-O等系列纳米微晶软磁材料如雨后春笋破土而出。最近又有人研究了在Fe- Si-B-Cu-Nb纳米晶材料中加Al对磁性的影响。随着Al含量的增加,Hc先显著降低,然后无大的变化;Ms则线性减小;晶粒大小在最佳热处理情况下无明显的变化。我国学者张延中等人以V、Mo取代Fe-Cu-Nb-Si-B合金中的Nb,制备出的纳米晶合金薄带其软磁性能亦十分优异,成本亦相应降低。新近科学界又发现纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应,又为它作为磁敏感元件的应用提供了良好的前景。 目前,纳米微晶软磁材料正沿着高频、多功能方向发展,其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面,如功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关和传感器等,它将成为铁氧体的有力竞争者。 纳米微晶稀土永磁材料 由于稀土永磁材料的问世,使永磁材料的性能突飞猛进。稀土永磁材料已经历了SmCo5,Sm2Co17以及Nd-Fe-B三个发展阶段。自1983年第三代稀土材料Nd-Fe-B问世以来,以其优异的性能和资源丰富的原材料而成为各国研究者所关注的对象,目前烧结Nd-Fe-B稀土永磁的磁能积已高达432kJ/m3(54MGOe),已接近理论值512kJ /m3(64MGOe),并迅速走出实验室,进入规模化生产。Nd-Fe-B产值年增长率约为18%~20%,已占永磁材料总产值的40%。但Nd- Fe-B永磁体的主要缺点是居里温度偏低(TC593K),最高工作温度约为450K,此外化学稳定性较差,易被腐蚀和氧化,价格也比铁氧体高,这限制了它的使用范围。 目前研究方向是一方面探索新型的稀土永磁材料,如ThMn12型化合物,Sm2Fe17Nx,Sm2Fe17C化合物等,另一方面便是研制纳米复合稀土永磁材料。最早研制的纳米晶稀土永磁合金是在快淬Nd-Fe-B合金中添加某些微量元素如V、Si、Ga、Nb、Co等有利于晶粒细化并形成纳米晶,从而获得较高的Br,达到提高(BH)max的目的。最近 Coehoorn 和Ding等人提出了双相纳米晶耦合永磁合金的新概念。这种合金中至少含有两个主要磁性相:软磁相和硬磁相,并且具有纳米尺度的显微结构。通常软磁材料的饱和磁化强度高于永磁材料,而永磁材料的磁晶各向异性又远高于软磁材料,如将软磁相与永磁相在纳米尺度范围内进行复合,就有可能获得具有两者优点的高饱和磁化强度、高矫顽力的新型永磁材料。目前,纳米稀土永磁合金已进入实用化阶段,最常用的是Nd2Fe14B+-Fe或 Nd2Fe14B+Fe3B合金。同其他永磁材料相比,由于纳米晶稀土永磁合金含较少的稀土金属,故具有较好的温度稳定性,并且抗氧化,耐腐蚀,成本相对减少。同时合金中含较多的铁,可望改善合金的脆性和加工性。并且,纳米晶稀土永磁合金具有极高的潜在(BH)max值,因此,纳米永磁材料有望成为新一代永磁材料,已成为目前研究的热点。 纳米磁流体 磁流体(Magnetic Liquid)是由具有铁磁性的超细固体微粒(直径为几~十几nm)高度弥散在基液中而构成的稳定的胶体溶液。磁流体一般包含三个组分:(1)铁磁性纳米级颗粒;(2)包裹颗粒的稳定剂;(3)一种适宜的液体作液态载体。其中铁磁性颗粒一般选取Fe3O4、铁、钴、镍等磁性好的超细微颗粒。正是由于铁磁性颗粒分散在载液中,故而使其呈现磁性。稳定剂最常用的有油酸、丁二酸、氟醚酸,能够防止磁性颗粒相互聚集,使得磁流体即使在重力、电、磁等力作用下亦能长期稳定,不产生沉淀与分离。载液种类很多,可以是水、煤油、汞等等。 由于均匀分散在液态载体中的超微磁粒小到亚畴状态,其磁化矢量自发磁化至饱和,但因粒子微小及涂敷界面活性剂后克服了范德瓦尔斯力,从而使其悬浮在载液中呈布朗运动,故粒子磁矩任意取向,与顺磁体的状态相同,即呈现超顺磁性。其磁化强度随磁场强度的增大而上升,甚至在高磁场情况下也很难趋于饱和,并无磁滞现象,矫顽力和剩磁均为零。当光通过磁流体时,会产生双折射效应,磁流体流向与外磁场方向平行时的粘度要比垂直方向的粘度大,其磁导率不但具有频散现象,而且还有磁粘滞性现象。此外用外磁场还可以控制超声波在磁流体中传播的速度和衰减。 磁流体由于兼有磁体的磁性和液体的流动性,具有其他固态磁性材料以及其他液体所没有的一系列新性质,因此引起了各国的广泛关注。上世纪60年代,美国Papell利用磁铁矿粉,经过球磨获得了铁氧体磁流体,为美国宇航局解决了宇宙服密封问题。但由于铁氧体磁流体的磁化强度最大不超过410-2T,因此铁氧体磁流体的应用受到限制。80年代日本成功地研制出金属磁流体,饱和磁化强度达到 1210-2T。金属磁流体的磁性能高于铁氧体磁流体,但是抗氧化性远不及后者。90年代日本利用氨化羰基铁络合物热分解,研制出氮化铁(- Fe3N)磁流体。饱和磁化强度增至1710-2T,并且具有较高的稳定性,成为科技界公认的具有广泛应用前途的新型磁流体。 自从美国宇航局利用磁流体克服了失重状态燃料不能正常工作的问题以来,国内外对磁流体的应用研究十分活跃,其应用范围不断拓展。现已广泛用于磁液密封、电声器件、阻尼器件、润滑、选矿、工业废液处理、热交换、磁回路、传热器、医疗卫生、生物磁学等方面。目前,日、美、俄、西欧诸国均可批量生产性能稳定的磁流体。我国研究这项技术也有十余年历史,一些单位在其应用研究方面也取得了可喜成绩,如中国西南应用磁学研究所、南京大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北方交通大学、电子科技大学等。相信在不久的将来,随着科学家们对磁流体物理化学性质的深入认识,以及对超微磁性粒子、稳定剂和载液的深入研究,稳定性更好、性能更高的实用化磁流体将不断出现,并将在更多领域发挥重要作用。 纳米信息存储材料 实验表明,当材料的晶粒进入纳米尺寸时,具有比通常结构下的同成分的材料特殊得多的磁学性能,其磁结构从多畴区变为单畴区,其矫顽力达到最高值,用它制作磁记录材料可以大大提高信噪比,改善图象质量,而且可以达到信息记录高密度化。 纳米磁记录材料的研究现已有很大的进展。纳米磁性多层薄膜是一种有巨大潜力的信息存储介质,迄今为止,纳米磁性多层膜已有350多个研究系列,实验存储密度已达65Gb/in2。纳米巨磁电阻(GMR)材料可使计算机磁盘存储能力提高 30倍左右,使每平方英寸的存储能力增加到100亿位。 纳米GMR材料已引起越来越多的科学家和企业家的重视,利用纳米GMR可使计算机磁盘存储能力大大提高。1993年美国IBM的科学家,在多层膜GMR效应方面获得突破性进展,他们发现了一种在低磁场下产生GMR的方法。利用溅射方法制得纳米多层膜,然后将膜迅速退火,该材料在低磁场呈现大的GMR效应,将大大增高数据存储器件的容量。俄罗斯科学家已开发出制备 Ni,Cu,Al,Ag,Fe,Sn,Mg,Mn,Pt,Au,Mo,W,V以及稀土金属等纳米级金属超细粉末的生产工艺。熔点在1500℃以上的所有金属都可获得纳米级超细粉末。Fe-Ni超细颗粒制作高密度金属磁带,已进入实用阶段。目前国内外正在研制典型的垂直磁记录介质纳米级六角晶系铁氧体,其高频特性优于-Fe2O3,化学稳定性优于金属磁粉,现已成为新型的磁记录介质而崭露锋芒。 纳米吸波材料 纳米材料独特的结构使其具有隧道效应、量子效应、小尺寸效应和界面效应等。将纳米材料作为吸收剂制成涂料,不仅对电磁波吸收性能好,而且涂层薄,吸收频带宽。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米磁性超细微颗粒对电磁波具有强烈的吸收能力,这是由于纳米磁性超细微颗粒处于表面的原子数非常多,大大增强了纳米材料的活性,在电磁场的辐射下,原子、电子运动加剧,形成共振,使电磁能转化为热能,从而增大了对电磁波的吸收。目前被称作超黑色的吸波材料对雷达波的吸收率可达99%,这种吸波材料被认为最有可能属于纳米材料。法国研制成一种宽频微波吸收涂层,磁导率的实部与虚部在0.1~18GHz频率范围内均大于6,与粘结剂复合而成的RAM(Radar Absorption Material)的电阻率大于5cm,在50MHz~50GHz频率范围内吸波性能较好。 纳米材料对电磁波的强烈吸收作用,已受到各国研究机构的重视。其最重要的应用之一是纳米隐身吸波材料。隐身技术是当今举世瞩目的重大军事高技术,1991年美国以迅雷不及掩耳之势对伊拉克进行了大规模空袭,而无一架作战飞机受伤,其重要原因之一是美国的作战飞机表面涂有一层吸收电磁波的铁氧体系列材料,这种材料能够有效地吸收敌方侦察雷达电磁波能量,从而使雷达侦察系统失去作用,把自身隐藏起来。但是传统的常规铁氧体材料,由于密度大,很难适应现代的要求。纳米材料因其在电磁波吸收方面具有突出的表现,在较宽的频谱范围里呈现较大吸收,可作为一种微波毫米波乃至光波的全波段隐身材料,必将取代传统的常规铁氧体材料,成为新一代稳身吸波材料。 目前国内外研究的纳米电磁波吸收材料主要有如下几种类型:纳米金属与合金吸收剂、纳米氧化物吸收剂、纳米SiC吸收剂、纳米铁氧体吸收剂、纳米石墨吸收剂、纳米Si/C/N和Si/C/N/O吸收剂、纳米金属膜/绝缘介质膜吸收剂、纳米导电聚合物吸收剂、纳米氮化物吸收剂等。 纳米巨磁致伸缩材料 物体在磁场中磁化时会沿着磁化方向发生伸长或缩短,这一现象叫做磁致伸缩效应。磁致伸缩的大小在技术上,以饱和磁致伸缩系数s=L/L来度量,通常s小于10-5量级。磁致伸缩现象早已为人们所发现,但无论是过去常用的铁钴、镍铁磁性金属、铁氧体磁性氧化物,还是新近开发的非晶态磁性合金,它们的s值都很小,应用范围很有限。 60年代初,美国海军军械实验室的Clark等人发现Tb,Dy等稀土金属单晶物质在低温下会产生巨大的磁致伸缩效应,称之为巨磁致伸缩效应。这种材料的最大特点是伸缩量比原有的磁性材料大得多,能量密度高,居里温度高,适于高温环境。 70年代,磁性技术又有了重大进展,发现一类新的Laves相稀土(R)-过渡金属间化合物RFe2,其在室温下呈现巨大的磁致伸缩应变。如TbFe2在160kA/m(2kOe)的磁场作用下111可达200010-6,比过去已知的磁致伸缩材料大两个数量级。自此以后,该类材料的机理和技术性能的研究引起了人们的极大兴趣,至今该领域的研究仍十分活跃。由于实际的需要,我们希望能在小的磁场下获得大的磁致伸缩性能,因而对材料的低场响应特性提出了高的要求。要获得这样性能的材料,在磁致伸缩基本保持不变的情况下,关键是降低材料的饱和场Hs(=2K1/Ms)。解决的办法是利用多层膜技术。如果膜层的厚度在铁磁交换作用距离内,纳米膜层由于交换耦合,将对外呈现一致的磁化特性,其性能参数取各层材料的平均值。这种人工材料,其饱和Hs场会显著降低,而s会基本不变。 纳米巨磁致伸缩材料具有很高的能量转换效应,能产生很大的机械力,弹性模量随磁场有很大的变化,抗压强度很高,是优异的换能材料,应用前景十分广阔。目前在声纳、传感器、超声发生器、微距器等方面已有一些应用。但由于工艺上的问题,共生产和应用还处于起步阶段。 展望 纳米技术作为跨世纪的新学科,它已成为科学界和工程技术界备加关注的热点,美国、日本、德国、英国等发达国家都制定了发展纳米技术的国家规划,并作为自然科学基金优先支持的项目。我国在纳米技术领域起步并不晚,纳米技术被认为是我国在本世纪赶超和占领国际一席之地的一个重要高技术领域。国家科委、国家自然科学基金委和国防科工委都在组织推进这一重大新兴科学技术的发展。目前,我国约有近百个研究机构和大学开发纳米材料研究工作,其中清华、北大、南京大学、中科院都设有国家重点实验室进行纳米材料的研究。正如70年代微电子技术引发了信息革命一样,纳米技术将成为本世纪信息时代的核心。人们正在注视着纳米技术领域不断涌现的奇异现象和新进展。可见预见,各种新的纳米磁性材料将会被不断地开发出来,纳米技术作为一门新兴学科,必将给传统的磁性材料带来一场革命。纳米晶软磁材料、纳米晶永磁材料、纳米磁流体、纳米信息存储材料、纳米吸波磁性材料、纳米巨磁致伸缩材料作为纳米技术的重要领域,其前景十分诱人,其有关发展必将对经济建设、国防实力、学科发展以至社会进步产生巨大的影响。
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