[发明专利]一种制备碳包裹铁氮化物及其复合磁性纳米材料的方法

说明书

本发明的目的是提供一种碳包裹Fe₃N及其复合磁性纳米颗粒及其制备方法，采用化学液相法制备，所述碳包裹铁氮化物(Fe₃N)或其复合磁性纳米颗粒具有壳核微观结构，其外壳层为碳，内核组成为Fe₃N或Fe₃N/M，其中M为Fe、FePt、Fe₃O₄、Pt、Au、Ag、Cu中的一种或多种。采用该方法制备具有操作简单、成本低廉、原料无毒无害，制备周期短、温度低，可以用于合成具有磁性的、尺寸为20纳米‑500纳米的碳包裹的Fe₃N及其复合磁性纳米颗粒材料。利用碳纳米胶囊颗粒具备的表面效应、催化、光学或磁学等特殊性质，再结合生物分子独特的生物功能，能够广泛应用于生物、医学等领域，例如药物和基因载体、核磁共振医学显影、荧光标定、抗菌和细胞分离。

技术领域

本发明属于无机功能纳米材料领域，具体涉及一种制备铁氮化物磁性纳米材料的方法。

背景技术

二元铁氮化物具有黑灰色泽，属于金属间隙化合物。根据铁-氮相图，二元铁氮化物包括Fe₂N、γ'-Fe₄N、ε-Fe₂N_1-x和α”-Fe₁₆N₂等相。其中具有六方晶体结构(P312或P6₃22)的ε相铁氮化物的一般化学式可写为ε-Fe₂N_1-x(0x0.6)。氮元素的含量在14at.％(原子百分比)和33at.％之间。室温时，具有铁磁性的ε相，氮元素含量为17.5-30at.％，而顺磁性相的氮含量在16.1-17.5at.％和30-33.3at.％之间。铁氮化物因其良好的磁性能和优异的抗腐蚀性能，在磁性应用方面具有很大潜力。含有纳米粒子的胶体磁性氮化铁溶液的可用于制造磁流体。氮化铁也可作为催化剂，对于费托合成及合成氨等反应具有良好的催化活性。

通常传统的渗氮方法有三种，包括气体氮化、液体氮化和离子氮化等方法。采用NH₃或NH₃/H₂的氮化气氛中加热分解羰基铁，W.A.Kaczmarek(Scr.Metall.Mater.,1995,33,1687-1694.)和X.Q.Zhao等(Mater.Res.Soc.Symp.Proc.,1995,368,39-43.)得到了铁氮化物纳米粒子。采用机械合金化方法P.Y.Lee等(J.Alloys Compd.1995,222,179-183.)研究了铁氮化物粉体的结构和磁性能。球磨所使用的铁球及其数量和球磨气氛会影响球磨的结果，粉体的形貌无法控制。以羰基铁和乙烯为原料，Grimes等(J.Appl.Phys.,2000,87,5642-5644.)使用激光热分解法得到了单相γ'-Fe₄N纳米粒子，并研究了它们的磁性能。采用磁控溅射方法，M.Niederdrenk等,研究了铁氮化物薄膜(J.Alloys Compd.,1996,237,81-88.)。采用柠檬酸盐路径R.N.Panda等人研究了γ’-Fe₄N和ε-Fe₃N纳米晶(IEEETrans.Magn.,1998,34,542-548.)。R.S.Figueiredo等人采用低温离子氮化过程获得了铁氮化物(Solid State Commun.,1991,80,757-760.)。利用化学汽相冷凝方法合成纳米铁氮化物粉末，李达等(J.Magn.Magn.Mater.2004，277(1-2),64-70.和J.Magn.Magn.Mater.2004，283(1),8-15.)研究了实验条件，如载流气体种类及流量、工作腔气氛和原料分解温度等对铁氮化物纳米粉末的相形成、微观组织结构和磁性的影响。C.B.Teixeira等采用羰基铁和氨气在低温获得了含有γ′-Fe₄N纳米颗粒的磁流体(Hyperfine Interactions,2007,175(1-3),113-120.)。A.M.Zieschang等(Chem.Mater.2017，29(2)，621-628.)采用金属钠还原液氨中的溴化铁，并经573K后续热处理，得到了Fe₃N磁性纳米颗粒。