液相还原法制备具有分级纳米结构的Ni及Ni-Fe合金

摘要

本文利用液相还原法合成了多种具有分级结构的Ni和Ni—Fe合金纳米材料,包括由纳米片组成的Ni微米花、由纳米针组成的Ni微米线、海胆状Ni—Fe合金以及具有三重分级结构的Ni—Fe合金,详细研究了分级结构的物相、形貌、生长机理及其相关性能。
　　 首先,利用一步多元醇还原法制备了具有分级结构的Ni微米花。合成过程没有使用任何外加磁场或表面活性剂,Ni微米花由表面被{111}晶面包覆的纳米片组成。中间产物的物相取决于1,2-丙二醇的含水量,无水及有少量水存在时中间产物分别为α和β相Ni(OH)2。控制中间产物的物相可以调控还原体系中自由Ni2+的浓度,进而调控产物形貌。Ni微米花遵循动力学控制的分步生长机理,即先由晶核聚集成纳米球,然后在准平衡生长条件下生长出纳米片次级结构。该微米花具有较高的Hc和Ms,归因于纳米片的形状各向异性。
　　 其次,利用一步常压水溶液还原法制备了具有分级结构的Ni微米线。该微米线由具有五重孪晶结构的纳米针组成；纳米针沿五重孪晶轴〈110〉取向生长。其形成过程遵循分步生长机理。成核后晶核聚集形成初级纳米线,然后纳米线表面的晶核生长成具有五重孪晶结构的晶种；由于SDBS选择性吸附在{100}晶面上,孪晶种子沿〈110〉方向取向生长,最终形成纳米针次级结构单元。Ni微米线及纳米针具有明显的形状各向异性是其具有较大的Hc和Ms的主要原因。该微米线对NaBH4还原对硝基酚反应具有显著地催化活性,因为在于其独特的“枝”和“干”分级结构。
　　 再次,利用一步水热法制备了由纳米棒组成的具有分级结构的海胆状Ni-Fe合金。纳米棒次级结构具有单晶性质,沿〈111〉方向取向生长。过量的NaOH有利于实现Ni2+和Fe3+共还原得到Ni—Fe合金,而非相分离的Ni和Fe的混合物。体系的还原动力学决定了是表面自由能还是磁各向异性能来控制次级结构的取向生长；反应后期体系具有较低的过饱和度,有利于磁各向异性能控制次级结构单元的取向生长。海胆状Ni—Fe合金遵循动力学控制的分步生长机理:形核并聚集成初级纳米球,其表面的纳米突起在磁各向异性能的控制下沿〈111〉方向生长并形成纳米棒。产物具有较大的Hc归因于纳米棒的形状各向异性及Ni—Fe合金轻微的磁晶各向异性。
　　 最后,采用一步水热还原法制备了具有三重分级结构的Ni—Fe合金超结构。该复杂Ni-Fe合金结构由纳米棒次级结构以及六角星形第三级结构组成的。其形成过程遵循分步生长机理,由磁各向异性能和表面自由能交替控制其次级和第三级结构的取向生长。生长过程包括初期的晶核聚集、中期的纳米棒生长以及后期的六角星形纳米片生长。这三个阶段对应的驱动力依次为初期的降低体系表面自由能及磁偶极子间的相互吸引作用,中期的降低磁各向异性能以及后期的降低表面自由能。