联动激光合成氧化铁纳米颗粒的方法

摘要

本发明公开了一种利用联动激光制备氧化铁纳米颗粒的方法，步骤为：（a）配制3mg/ml的硝酸铁甲醇溶液；（b）将溶液置于一不吸收激光的比色皿中，固定在合适位置，使溶液能同时被两种激光辐照；（c）利用联动激光（纳秒脉冲激光700V；毫秒脉冲激光100A、3ms、5Hz)共同辐照比色皿中的溶液30min，得到氧化铁纳米颗粒。本发明提供了一种简单、快捷、新颖的制备氧化铁纳米颗粒的方法，所制得的纳米颗粒粒径尺寸分布均匀。

说明书

技术领域

本发明是关于纳米材料的，特别涉及一种采用联动激光工艺制得氧化铁纳米颗粒的方 法。

背景技术

铁是世界上最丰富的金属元素之一，跟人类的生活和生产息息相关。铁及氧化铁纳米 颗 粒在磁性和催化领域具有的潜在应用使得铁基纳米结构材料的合成得到研究者的重视。目 前制备纳米结构有诸多的合成工艺，比如溶胶凝胶法、水热法、电弧法、化学气相沉积法 等。与这些传统的化学合成法相比，激光法因具有操作简单、实验周期短、产物中杂质引 入少、绿色环保等一系列的优点而受到越来越多科学研究者的青睐。

根据激光作用对象的不同，可以将激光法分为激光烧蚀法和激光化学法。激光烧蚀法 是目前利用激光法合成纳米材料采用较多的方法，它是指利用一束高能量的激光光束辐照 气相或者液相中的固体靶材，制备纳米颗粒或薄膜的方法。而激光化学法则是指利用激光 对物质产生的光解作用或热作用，引发化学反应，产生新材料的方法。与激光烧蚀法的不 同之处在于，它是利用激光作用气体分子或是溶液分子使分子产生活性基团，进而诱导体 系中的化学反应。人们已经利用这两种激光法合成出了多种纳米结构，例如：K.Y.Niu^等人(K.Y. Niu,J.Yang,S.A.Kulinich,et al,Morphology Control of Nanostructures via Surface Reaction of Metal Nanodroplets.J.AM.CHEM.SOC.2010,132,9814-9819.^{）就全面研究了激光液相烧蚀法中金属液滴和周围介质之间的界面反应对产物结构和组成的影响，实现了纳米结构的可控合成。}K.Hayakawa等人（Kazutaka H,Tomokazu Y & Esumi K, Preparation of Gold-Dendrimer Nanocomposites by Laser Irradiation and Their Catalytic Reduction of 4-Nitrophenol.Langmuir,2003,19:5517-5521.）利用532nm纳秒激光作用氯金酸 和PAMAM的水溶液，制备出了Au纳米颗粒。E.Ye等人（Ye E,Liu B & Fan W Y，Preparation of Graphite-Coated Iron Nanoparticles Using Pulsed Laser Decomposition of Fe3(CO)12 and PPh3 in Hexane,Chem.Mater.,2007,19:3845-3849.）利用355nm纳秒脉冲激光作用Fe₃(CO)₁₂、PPh₃和正己烷的混合溶液，制备出了具有超高顺磁性的石墨碳包覆的铁纳米颗粒。C.Fauteux 等人（Fauteux C,Longtin R,Pegna J & Therriault D,Fast Synthesis of ZnO Nanostructures by Laser-Induced Decomposition of Zinc Acetylacetonate,Inorg.Chem.,2007,46:11036-11047.） 利用连续波长的CO₂激光作用水合乙酰丙酮锌、水、乙醇、2-氨基乙醇的混合溶液，制备出 了ZnO纳米结构，研究发现激光作用时间较短时，产物为ZnO纳米颗粒，作用时间较长时， 产物为ZnO纳米棒或纳米线结构；作用Zn[CH₃CO₂]₂·2H₂O水和2-氨基乙醇的混合溶液后， 除ZnO纳米颗粒和纳米棒以外，还制备出了针状和球状结构纳米ZnO（Fauteux C,Khakani M A, Pegna J & Therriault D,Influence of solution parameters for the fast growth of ZnO nanostructures by laser-induced chemical liquid deposition,Appl Phys A,2009,94:819–829.）。但 是这些工作都是在单种激光下完成的，利用联动激光制备纳米结构的研究还较少。

所谓联动，是指若干个相关联的事物，一个运动或变化时，其他的也跟着运动或变 化。联动即“联合行动”之意，联动激光即是将两种或者两种以上的激光通过某种装 置连接起来，使其能够“联合行动”即共同工作的意思。让两种脉冲激光共同作用某一 体系制备纳米材料的研究还很少。有些研究工作利用双脉冲激光溅射技术，即用两束激光 先后作用一个靶材，以获得单脉冲激光更强的溅射和发光效果，主要用来做光谱分析。迄 今为止双脉冲激光溅射技术主要用于光谱分析，较少用于材料合成，激光种类限于超快激 光（飞秒和纳秒激光）。最近Jo和Wen（Y.K.Jo,S.B.Wen,J Phys D Appl Phys,Direct generation of core/shell nanoparticles from double-pulsed laser ablation in a background gas. 2011,44,305301.）利用双脉冲激光溅射技术技术合成了一系列核-壳纳米颗粒，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.I.Nedel'ko,Formation of nanoparticles duringdouble-pulse laser ablation of metals in liquids.Eur.Phys.J.-Appl.Phys 2005,30,107.）在液相中用双脉冲激光溅射技术合成出了具 有尺寸选择性的纳米颗粒。这些工作说明双脉冲激光溅射技术技术具有独特的优势。说明 我们选用毫秒-纳秒双脉冲激光合成材料具有很大的可行性。由于毫秒纳米激光的组合还没 有报道，合成机理和产物的规律都大有可研究之处。

发明内容

本发明的目的，是利用一种联动装置使毫秒脉冲激光器和纳米脉冲激光器同时辐照硝 酸铁甲醇溶液，提供一种使其分解形成均匀的氧化铁纳米颗粒。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种联动激光制备氧化铁纳米颗粒的方法，具体有如下步骤：

（a）将硝酸铁按照每毫升3毫克的比例溶于甲醇中；

（b）将步骤（a）中的溶液置于比色皿中，固定在铁架台上，调整位置，使溶液能够 同时被两种激光辐照；

（c）利用联动激光法辐照溶液制备纳米颗粒，激光参数分别选择：毫秒激光100-130A、 1-6ms、1-5Hz，纳秒激光700V，作用时间从0.5min-30min；

所述步骤（b）中使用的两种激光器是毫秒脉冲激光器和纳秒脉冲激光器。

所述步骤（c）的最佳激光参数为100A、3ms、5Hz，最佳作用时间为30min。

所述步骤（c）是利用一种联动装置使毫秒脉冲激光器和纳秒脉冲激光器同时作用的方 法。

所述步骤（c）的激光光束选用平行光。

本发明的有益效果是，提供了一种简单、快捷、新颖的制备氧化铁纳米颗粒的方法， 所制得的纳米颗粒粒径尺寸分布均匀。

附图说明

图1是实施例4联动激光法制备的氧化铁颗粒的透射电子显微镜图片；

图2是实施例4联动激光法制备的氧化铁颗粒的EDS谱图。

具体实施方式

本发明的原料为硝酸铁和甲醇，纯度均为分析纯，使用的激光器为Nd:YAG(波长1064nm) 毫秒脉冲激光器和Nd：YAG（波长266nm）纳秒脉冲激光器，下面通过具体实施例对本发 明作进一步说明。

本发明氧化铁颗粒的形成过程是：硝酸铁溶于甲醇，发生醇解形成FeOOH，该物质在 纳秒激光作用下分解形成纳米颗粒，而长脉宽毫秒激光同时辐照着溶液，从而会使颗粒生 长过程又增加了一个具有一定周期性的快速退火环境。即在一个脉冲内，毫秒先加热溶液， 纳秒激光分解中间物产生活性基团，由于纳秒激光脉宽远远小于毫秒激光，所以这些活性 基团在高温状态下形核长大，当毫秒激光脉冲结束，晶粒相当于经历一个快速退火的过程， 形成特定的微观结构；在下一个脉冲内到达时，晶粒在毫秒激光下加热，当纳秒脉冲到达， 新的活性基团又会产生，之前形成的晶粒会继续长大，当毫秒脉冲结束，晶粒再次形成某 种特定微观结构；而且同时毫秒脉冲激光具有选择性加热的特点，可以控制最终纳米颗粒 的粒径，最终获得尺寸较均匀的氧化铁纳米颗粒。

实施例1

将3mg硝酸铁溶于1mL甲醇中，将溶液置于比色皿中，固定在铁架台上，毫秒脉冲激 光参数选择100A、3ms、5Hz，纳秒脉冲激光参数选择700V，连接好联动装置，让两种激光 共同辐照作用0.5min。

其中：两种激光选用的都是平行光。

实施例2

浓度和实验步骤与实施例1相同，激光辐照时间为5min。

实施例3

浓度和实验步骤与实施例1相同，激光辐照时间为10min。

实施例4

浓度和实验步骤与实施例1相同，激光辐照时间为30min。

由图1可以看出，所制备的氧化铁纳米颗粒的尺寸很均匀，由图2可以看出，所制备 的颗粒的成分主要是铁和氧。

实施例5

浓度和实验步骤与实施例1相同，激光参数是130A、1ms、1Hz，700V，辐照时间为30min。

实施例6

浓度和实验步骤与实施例1相同，激光参数是100A、6ms、5Hz，700V，辐照时间为30min。