專利名稱：聯(lián)動(dòng)激光合成氧化鐵納米顆粒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于納米材料的，特別涉及一種采用聯(lián)動(dòng)激光工藝制得氧化鐵納米顆粒的方法。
背景技術(shù)：
鐵是世界上最豐富的金屬元素之一，跟人類的生活和生產(chǎn)息息相關(guān)。鐵及氧化鐵納米顆粒在磁性和催化領(lǐng)域具有的潛在應(yīng)用使得鐵基納米結(jié)構(gòu)材料的合成得到研究者的重視。目前制備納米結(jié)構(gòu)有諸多的合成工藝，比如溶膠凝膠法、水熱法、電弧法、化學(xué)氣相沉積法等。與這些傳統(tǒng)的化學(xué)合成法相比，激光法因具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)周期短、產(chǎn)物中雜質(zhì)引入少、綠色環(huán)保等一系列的優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多科學(xué)研究者的青睞。根據(jù)激光作用對(duì)象的不同，可以將激光法分為激光燒蝕法和激光化學(xué)法。激光燒蝕法是目前利用激光法合成納米材料采用較多的方法，它是指利用一束高能量的激光光束輻照氣相或者液相中的固體靶材，制備納米顆粒或薄膜的方法。而激光化學(xué)法則是指利用激光對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生的光解作用或熱作用，引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生新材料的方法。與激光燒蝕法的不同之處在于，它是利用激光作用氣體分子或是溶液分子使分子產(chǎn)生活性基團(tuán)，進(jìn)而誘導(dǎo)體系中的化學(xué)反應(yīng)。人們已經(jīng)利用這兩種激光法合成出了多種納米結(jié)構(gòu)，例如K. Y. Niu
筆A (
K. Y. Niuj J. Yang, S. A. Kulinich, et al, Morphology Control of Nanostructures viaSurface Reaction ofMetal Nanodroplets. J. AM. CHEM. S0C. 2010，132，9814-9819.) '就全
研究了激光液相燒蝕法中金屬液滴和周圍介質(zhì)之間的界面反應(yīng)對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和組成的影響，實(shí)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)的可控合成。$ Hayakawa等人
(Kazutaka H，Tomokazu Y & Esumi K，Preparation of Gold-Dendrimer Nanocompositesby Laser Irradiation and Their CatalyticReduction of 4-Nitrophenol.Langmuir, 2003，19:5517-5521.)利用532nm納秒激光作用氯金酸和PAMAM的水溶液，制備出了 Au 納米顆粒。E. Ye 等人(Ye E, Liu B & Fan W Y，Preparation of Graphite-CoatedIron Nanoparticles Using Pulsed Laser Decomposition of Fe3(CO)12 and PPh3inHexane, Chem. Mater.，2007，19:3845-3849.)利用 355nm 納秒脈沖激光作用 Fe3 (CO) 12、PPh3和正己烷的混合溶液，制備出了具有超高順磁性的石墨碳包覆的鐵納米顆粒。
C.Fauteux等人(Fauteux C，Longtin R, Pegna J & Therriault D, Fast Synthesis of ZnONanostructures byLaser—Induced Decomposition of Zinc Acetylacetonate, Inorg.Chem.，2007，46:11036-11047.)利用連續(xù)波長(zhǎng)的CO2激光作用水合乙酰丙酮鋅、水、乙醇、2-氨基乙醇的混合溶液，制備出了 ZnO納米結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)激光作用時(shí)間較短時(shí)，產(chǎn)物為ZnO納米顆粒，作用時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)物為ZnO納米棒或納米線結(jié)構(gòu)；作用Zn[CH3C02]2 2H20水和2-氨基乙醇的混合溶液后，除ZnO納米顆粒和納米棒以外，還制備出了針狀和球狀結(jié)構(gòu)納米 ZnO (Fauteux C，Khakani M A, Pegna J & Therriault D，Influence of solutionparameters for the fast growth of ZnOnanostructures by laser-1nduced chemicalliquid deposition, Appl Phys A，2009，94:819 - 829.)。但是這些工作都是在單種激光下完成的，利用聯(lián)動(dòng)激光制備納米結(jié)構(gòu)的研究還較少。
所謂聯(lián)動(dòng)，是指若干個(gè)相關(guān)聯(lián)的事物，一個(gè)運(yùn)動(dòng)或變化時(shí)，其他的也跟著運(yùn)動(dòng)或變化。聯(lián)動(dòng)即“聯(lián)合行動(dòng)”之意，聯(lián)動(dòng)激光即是將兩種或者兩種以上的激光通過(guò)某種裝置連接起來(lái)，使其能夠“聯(lián)合行動(dòng)”即共同工作的意思。讓兩種脈沖激光共同作用某一體系制備納米材料的研究還很少。有些研究工作利用雙脈沖激光濺射技術(shù)，即用兩束激光先后作用一個(gè)靶材，以獲得單脈沖激光更強(qiáng)的濺射和發(fā)光效果，主要用來(lái)做光譜分析。迄今為止雙脈沖激光濺射技術(shù)主要用于光譜分析，較少用于材料合成，激光種類限于超快激光(飛秒和納秒激光)。最近 Jo 和 Wen (Y. K. Jo, S. B. Wen, J Phys D Appl Phys, Directgenerationof core/shell nanoparticles from double-pulsed laser ablation in a backgroundgas. 2011，44，305301.)利用雙脈沖激光濺射技術(shù)技術(shù)合成了一系列核-殼納米顆粒，包括 Zn-Si, Ge-Si, Cu-Zn 等，Tarasenko 等人(V. S. Burakov, N. V. Tarasenko, A. V. Butsen, V.A. Rozantsev, M.1. Nedel' ko, Formation of nanoparticles duringdoubIe-pulse laserablation of metalsin liquids. Eur. Phys. J. -Appl. Phys 2005，30，107.)在液相中用雙脈沖激光濺射技術(shù)合成出了具有尺寸選擇性的納米顆粒。這些工作說(shuō)明雙脈沖激光濺射技術(shù)技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。說(shuō)明我們選用毫秒-納秒雙脈沖激光合成材料具有很大的可行性。由于毫秒納米激光的組合還沒(méi)有報(bào)道，合成機(jī)理和產(chǎn)物的規(guī)律都大有可研究之處。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的，是利用一種聯(lián)動(dòng)裝置使毫秒脈沖激光器和納米脈沖激光器同時(shí)輻照硝酸鐵甲醇溶液，提供一種使其分解形成均勻的氧化鐵納米顆粒。本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)?！N聯(lián)動(dòng)激光制備氧化鐵納米顆粒的方法，具體有如下步驟(a)將硝酸鐵按照每毫升3毫克的比例溶于甲醇中；(b)將步驟(a)中的溶液置于比色皿中，固定在鐵架臺(tái)上，調(diào)整位置，使溶液能夠同時(shí)被兩種激光輻照；Ce)利用聯(lián)動(dòng)激光法輻照溶液制備納米顆粒，激光參數(shù)分別選擇毫秒激光100-130A、l-6ms、l-5Hz，納秒激光 700V，作用時(shí)間從 0. 5min_30min ；所述步驟(b)中使用的兩種激光器是毫秒脈沖激光器和納秒脈沖激光器。所述步驟(c)的最佳激光參數(shù)為100A、3ms、5Hz，最佳作用時(shí)間為30min。所述步驟(c)是利用一種聯(lián)動(dòng)裝置使毫秒脈沖激光器和納秒脈沖激光器同時(shí)作用的方法。所述步驟(C)的激光光束選用平行光。本發(fā)明的有益效果是，提供了一種簡(jiǎn)單、快捷、新穎的制備氧化鐵納米顆粒的方法，所制得的納米顆粒粒徑尺寸分布均勻。


圖1是實(shí)施例4聯(lián)動(dòng)激光法制備的氧化鐵顆粒的透射電子顯微鏡圖片；圖2是實(shí)施例4聯(lián)動(dòng)激光法制備的氧化鐵顆粒的EDS譜圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的原料為硝酸鐵和甲醇，純度均為分析純，使用的激光器為Nd:YAG(波長(zhǎng)1064nm)毫秒脈沖激光器和Nd =YAG (波長(zhǎng)266nm)納秒脈沖激光器，下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明氧化鐵顆粒的形成過(guò)程是硝酸鐵溶于甲醇，發(fā)生醇解形成FeOOH，該物質(zhì)在納秒激光作用下分解形成納米顆粒，而長(zhǎng)脈寬毫秒激光同時(shí)輻照著溶液，從而會(huì)使顆粒生長(zhǎng)過(guò)程又增加了一個(gè)具有一定周期性的快速退火環(huán)境。即在一個(gè)脈沖內(nèi)，毫秒先加熱溶液，納秒激光分解中間物產(chǎn)生活性基團(tuán)，由于納秒激光脈寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于毫秒激光，所以這些活性基團(tuán)在高溫狀態(tài)下形核長(zhǎng)大，當(dāng)毫秒激光脈沖結(jié)束，晶粒相當(dāng)于經(jīng)歷一個(gè)快速退火的過(guò)程，形成特定的微觀結(jié)構(gòu)；在下一個(gè)脈沖內(nèi)到達(dá)時(shí)，晶粒在毫秒激光下加熱，當(dāng)納秒脈沖到達(dá)，新的活性基團(tuán)又會(huì)產(chǎn)生，之前形成的晶粒會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大，當(dāng)毫秒脈沖結(jié)束，晶粒再次形成某種特定微觀結(jié)構(gòu)；而且同時(shí)毫秒脈沖激光具有選擇性加熱的特點(diǎn)，可以控制最終納米顆粒的粒徑，最終獲得尺寸較均勻的氧化鐵納米顆粒。實(shí)施例1將3mg硝酸鐵溶于ImL甲醇中，將溶液置于比色皿中，固定在鐵架臺(tái)上，毫秒脈沖激光參數(shù)選擇100A、3ms、5Hz，納秒脈沖激光參數(shù)選擇700V，連接好聯(lián)動(dòng)裝置，讓兩種激光共同福照作用0. 5min。其中兩種激光選用的都是平行光。實(shí)施例2濃度和實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施例1相同，激光輻照時(shí)間為5min。實(shí)施例3濃度和實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施例1相同，激光輻照時(shí)間為lOmin。實(shí)施例4濃度和實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施例1相同，激光輻照時(shí)間為30min。由圖1可以看出，所制備的氧化鐵納米顆粒的尺寸很均勻，由圖2可以看出，所制備的顆粒的成分主要是鐵和氧。實(shí)施例5濃度和實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施例1相同，激光參數(shù)是130A、lms、lHZ，700V，輻照時(shí)間為30mino實(shí)施例6濃度和實(shí)驗(yàn)步驟與 實(shí)施例1相同，激光參數(shù)是100A、6ms、5HZ，700V，輻照時(shí)間為30mino
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)動(dòng)激光制備氧化鐵納米顆粒的方法，具體有如下步驟 Ca)將硝酸鐵按照每毫升3毫克的比例溶于甲醇中； (b )將步驟(a)中的溶液置于比色皿中，固定在鐵架臺(tái)上，調(diào)整位置，使溶液能夠同時(shí)被兩種激光輻照； (C)利用聯(lián)動(dòng)激光法輻照溶液制備納米顆粒，激光參數(shù)分別選擇毫秒激光100-130A、l-6ms、l-5Hz，納秒激光 700V，作用時(shí)間從 0. 5min_30min ；
2.根據(jù)權(quán)利要求1的聯(lián)動(dòng)激光制備氧化鐵納米顆粒的方法，其特征在于，所述步驟(b)中使用的兩種激光器是毫秒脈沖激光器和納秒脈沖激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的聯(lián)動(dòng)激光制備氧化鐵納米顆粒的方法，其特征在于，所述步驟(c)的最佳激光參數(shù)為100A、3ms、5Hz，最佳作用時(shí)間為30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的聯(lián)動(dòng)激光制備氧化鐵納米顆粒的方法，其特征在于，所述步驟(c)是利用一種聯(lián)動(dòng)裝置使毫秒脈沖激光器和納秒脈沖激光器同時(shí)作用的方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的聯(lián)動(dòng)激光制備氧化鐵納米顆粒的方法，其特征在于，所述步驟(c)的激光光束選用平行光。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用聯(lián)動(dòng)激光制備氧化鐵納米顆粒的方法，步驟為(a)配制3mg/ml的硝酸鐵甲醇溶液；(b)將溶液置于一不吸收激光的比色皿中，固定在合適位置，使溶液能同時(shí)被兩種激光輻照；(c)利用聯(lián)動(dòng)激光(納秒脈沖激光700V；毫秒脈沖激光100A、3ms、5Hz)共同輻照比色皿中的溶液30min，得到氧化鐵納米顆粒。本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單、快捷、新穎的制備氧化鐵納米顆粒的方法，所制得的納米顆粒粒徑尺寸分布均勻。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK103058282SQ20121052839
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者邵玉苓, 杜希文, 崔蘭 申請(qǐng)人:天津大學(xué)