一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法

摘要

本发明公开了属于纳米材料制备技术领域的一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法。本发明用静电纺丝的方法在喷头加上高压后，将高分子温和还原剂和铁盐的混合溶液喷射到非晶薄膜的基底上，所述铁盐为Fe(NO

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法。

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。铁纳米颗粒在磁性和催化等领域的潜在应用，尤其是铁纳米颗粒作为超顺磁材料在医学上的应用逐渐得到研究者的重视。在铁纳米颗粒制备过程中，控制铁纳米颗粒的尺寸和形貌是重要的挑战。研究者开发了热分解法、化学还原法和气相法等制备铁纳米颗粒，但这些方法制备的颗粒多为球形，形貌单一。目前，只有Chaudret等(Science，2004，303：821-823)用改进的热分解法制备了立方体的铁纳米颗粒，Fukano(J Appl Phys，1974，13：1001-1002)和Uyeda(J Cryst Growth，1974，24/25：69-75)用气相法制备了十面体和三角片形貌的铁纳米颗粒。纳米材料的物理和化学性能与其尺寸和结构密切相关，规则形貌的铁纳米颗粒的可控制备亟待解决。

1969年，Ino(J Phys Soc Jpn，1969，27：941-953)通过热力学计算预测，当铁纳米颗粒小到数十纳米时会出现二十面体的结构；1999年，Sakurai(J Chem Phys，1999，111：235-238)用质谱观察到含有13个铁原子的稳定团簇，推测为铁二十面体；2007年，通过第一性原理计算，Rollmann(Phys Rev Lett，2007，99：083402)等人指出当铁纳米颗粒(团簇)含55个原子时，二十面体是最稳定的结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法。

一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法，其特征在于，该方法步骤如下：

(1)将浓度为0.05～0.09g/mL的温和还原剂和浓度为0.02～0.2g/mL的铁盐溶于去离子水中，搅拌直至完全溶解即制得铁二十面体纳米颗粒前驱体，所述铁盐为Fe(NO₃)₃或FeCl₂，所述温和还原剂为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇；

(2)将步骤(1)制备的前驱体吸入医用注射器中，用静电纺丝的方法将医用注射器针头与静电纺丝装置的正高压相连接，在针尖正下方10～18cm处放置接地铝箔作为阴极，在铝箔上放置铜网，铜网上铺设非晶薄膜作为接收片用以接收喷射出来的前躯体，在非晶薄膜和针头之间设置一不锈钢网用以去除喷射出来的纳米纤维；

(3)针头上加15～18kV的高压，前驱体溶液在电场作用下经不锈钢网喷射到非晶薄膜上；

(4)将喷射有前驱体的非晶薄膜在真空度小于10^-5Pa的真空腔内加热，加热温度为300～380℃，时间为0.5～0.8h，以10～20℃/min的速度冷却到室温，即制得铁二十面体纳米颗粒。

所述非晶薄膜为非晶碳膜或者非晶氧化硅膜。

所述聚乙烯吡咯烷酮分子量为13000。

所述聚乙二醇分子量为8000。

本发明的有益效果为：(1)本发明提供了一种操作简便、重复性好的制备铁二十面体纳米颗粒的方法；(2)本发明方法不需要复杂设备，铁二十面体纳米颗粒的产率在90％以上；(3)本发明制备的铁二十面体纳米颗粒在催化等领域具有良好的应用前景；(4)以Fe(NO₃)₃或FeCl₂为铁盐，以聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇为温和还原剂制备前躯体，在真空腔内300～380℃加热0.5～0.8h，加热温度低，时间短。

附图说明

图1是本发明制备方法示意图；

图2是实施例1制备的铁二十面体纳米颗粒的低倍透射电镜形貌像；

图3是实施例1制备铁二十面体纳米颗粒二次轴的结构示意图(a)、高分辨像(b)和高分辨像模拟像(c)；

图中标号：1-医用注射器；2-前躯体溶液；3-不锈钢网；4-非晶薄膜；5-接地铝箔；6-静电纺丝装置的正高压。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明：

实施例1

一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法，制备方法示意图如图1所示，该方法步骤如下：

(1)将0.5gFe(NO₃)₃和0.6g聚乙二醇(PEG，分子量为8000)溶于10ml去离子水中，磁力搅拌直至完全溶解即制得铁二十面体纳米颗粒前驱体PEG/Fe³⁺；

(2)将步骤(1)制备的前驱体吸入医用注射器1中，用静电纺丝的方法将医用注射器针头与静电纺丝装置的正高压6相连接，在针尖正下方10cm处放置接地铝箔5作为阴极，在铝箔上放置铜网，铜网上铺设非晶薄膜4(此处选用非晶碳膜)作为接收片用以接收喷射出来的前躯体，因喷射出来的前躯体中会有部分纳米纤维，所以在非晶碳膜和针头之间设置一孔径较大的不锈钢网3用以去除喷射出来的纳米纤维；

(3)针头上加15kV高压，前驱体溶液2在电场作用下经不锈钢网喷射到非晶碳膜上；

(4)将喷射有前驱体的非晶碳膜在真空度小于10^-5Pa的真空腔(激光脉冲镀膜系统)内加热，加热温度为300℃，加热时间为0.5h，以15℃/min的速度冷却到室温，即制得铁二十面体纳米颗粒。

本实施例制备的铁纳米颗粒的低倍透射电镜形貌像如图2所示，从图中可以看出在非晶碳膜上形成了均匀分散的铁纳米颗粒。如图3所示为铁二十面体纳米颗粒二次轴的结构示意图(a)、高分辨像(b)和高分辨像模拟像(c)，从高分辨实验像和模拟像的对比来看，生成的铁纳米颗粒确为二十面体结构。

实施例2

一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法，该方法步骤如下：

(1)将0.7gFe(NO₃)₃和0.5g聚乙二醇(PEG，分子量为8000)溶于10ml去离子水中，磁力搅拌直至完全溶解即制得铁二十面体纳米颗粒前驱体PEG/Fe³⁺；

(2)将步骤(1)制备的前驱体吸入医用注射器中，用静电纺丝的方法将医用注射器针头与静电纺丝装置的正高压相连接，在针尖正下方15cm处放置接地铝箔作为阴极，在铝箔上放置铜网，铜网上铺设非晶碳膜作为接收片用以接收喷射出来的前躯体，因喷射出来的前躯体中会有部分纳米纤维，所以在非晶碳膜和针头之间设置一孔径较大的不锈钢网用以去除喷射出来的纳米纤维；

(3)针头上加16kV高压，前驱体溶液在电场作用下经不锈钢网喷射到非晶碳膜上；

(4)将喷射有前驱体的非晶碳膜在真空度小于10^-5Pa的真空腔(激光脉冲镀膜系统)内加热，加热温度为350℃，加热时间为0.6h，以12℃/min的速度冷却到室温，即制得铁二十面体纳米颗粒。

实施例3

一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法，该方法步骤如下：

(1)将0.9gFeCl₂和0.8g聚乙二醇(PEG，分子量为8000)溶于10ml去离子水中，磁力搅拌直至完全溶解即制得铁二十面体纳米颗粒前驱体PEG/Fe²⁺；

(2)将步骤(1)制备的前驱体吸入医用注射器中，用静电纺丝的方法将医用注射器针头与静电纺丝装置的正高压相连接，在针尖正下方18cm处放置接地铝箔作为阴极，在铝箔上放置铜网，铜网上铺设非晶氧化硅膜作为接收片用以接收喷射出来的前躯体，因喷射出来的前躯体中会有部分纳米纤维，所以在非晶氧化硅膜和针头之间设置一孔径较大的不锈钢网用以去除喷射出来的纳米纤维；

(3)针头上加18kV高压，前驱体溶液在电场作用下经不锈钢网喷射到非晶氧化硅膜上；

(4)将喷射有前驱体的非晶氧化硅膜在真空度小于10^-5Pa的真空腔(激光脉冲镀膜系统)内加热，加热温度为380℃，加热时间为0.8h，以11℃/min的速度冷却到室温，即制得铁二十面体纳米颗粒。

实施例4

一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法，该方法步骤如下：

(1)将1.2g Fe(NO₃)₃和0.9g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量为13000)溶于10ml去离子水中，磁力搅拌直至完全溶解即制得铁二十面体纳米颗粒前驱体PVP/Fe³⁺；

(2)将步骤(1)制备的前驱体吸入医用注射器中，用静电纺丝的方法将医用注射器针头与静电纺丝装置的正高压相连接，在针尖正下方14cm处放置接地铝箔作为阴极，在铝箔上放置铜网，铜网上铺设非晶碳膜作为接收片用以接收喷射出来的前躯体，因喷射出来的前躯体中会有部分纳米纤维，所以在非晶碳膜和针头之间设置一孔径较大的不锈钢网用以去除喷射出来的纳米纤维；

(3)针头上加17kV高压，前驱体溶液在电场作用下经不锈钢网喷射到非晶碳膜上；

(4)将喷射有前驱体的非晶碳膜在真空度小于10^-5Pa的真空腔(激光脉冲镀膜系统)内加热，加热温度为320℃，加热时间为0.7h，以13℃/min的速度冷却到室温，即制得铁二十面体纳米颗粒。

实施例5

一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法，该方法步骤如下：

(1)将0.8g Fe(NO₃)₃和0.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量为13000)溶于10ml去离子水中，磁力搅拌直至完全溶解即制得铁二十面体纳米颗粒前驱体PVP/Fe³⁺；

(2)将步骤(1)制备的前驱体吸入医用注射器中，用静电纺丝的方法将医用注射器针头与静电纺丝装置的正高压相连接，在针尖正下方16cm处放置接地铝箔作为阴极，在铝箔上放置铜网，铜网上铺设非晶氧化硅膜作为接收片用以接收喷射出来的前躯体，因喷射出来的前躯体中会有部分纳米纤维，所以在非晶氧化硅膜和针头之间设置一孔径较大的不锈钢网用以去除喷射出来的纳米纤维；

(3)针头上加18kV高压，前驱体溶液在电场作用下经不锈钢网喷射到非晶氧化硅膜上；

(4)将喷射有前驱体的非晶氧化硅膜在真空度小于10^-5Pa的真空腔(激光脉冲镀膜系统)内加热，加热温度为330℃，加热时间为0.7h，以15℃/min的速度冷却到室温，即制得铁二十面体纳米颗粒。

实施例6

一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法，该方法步骤如下：

(1)将1.5g FeCl₂和0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量为13000)溶于10ml去离子水中，磁力搅拌直至完全溶解即制得铁二十面体纳米颗粒前驱体PVP/Fe²⁺；

(2)将步骤(1)制备的前驱体吸入医用注射器中，用静电纺丝的方法将医用注射器针头与静电纺丝装置的正高压相连接，在针尖正下方17cm处放置接地铝箔作为阴极，在铝箔上放置铜网，铜网上铺设非晶碳膜作为接收片用以接收喷射出来的前躯体，因喷射出来的前躯体中会有部分纳米纤维，所以在非晶碳膜和针头之间设置一孔径较大的不锈钢网用以去除喷射出来的纳米纤维；

(3)针头上加15kV高压，前驱体溶液在电场作用下经不锈钢网喷射到非晶碳膜上；

(4)将喷射有前驱体的非晶碳膜在真空度小于10^-5Pa的真空腔(激光脉冲镀膜系统)内加热，加热温度为340℃，加热时间为0.5h，以14℃/min的速度冷却到室温，即制得铁二十面体纳米颗粒。

实施例7

一种铁二十面体纳米颗粒的制备方法，该方法步骤如下：

(1)将1.8g FeCl₂和0.7g聚乙二醇(PEG，分子量为8000)溶于10ml去离子水中，磁力搅拌直至完全溶解即制得铁二十面体纳米颗粒前驱体PEG/Fe²⁺；

(2)将步骤(1)制备的前驱体吸入医用注射器中，用静电纺丝的方法将医用注射器针头与静电纺丝装置的正高压相连接，在针尖正下方12cm处放置接地铝箔作为阴极，在铝箔上放置铜网，铜网上铺设非晶碳膜作为接收片用以接收喷射出来的前躯体，因喷射出来的前躯体中会有部分纳米纤维，所以在非晶碳膜和针头之间设置一孔径较大的不锈钢网用以去除喷射出来的纳米纤维；

(3)针头上加16kV高压，前驱体溶液在电场作用下经不锈钢网喷射到非晶碳膜上；

(4)将喷射有前驱体的非晶碳膜在真空度小于10^-5 Pa的真空腔(激光脉冲镀膜系统)内加热，加热温度为310℃，加热时间为0.8h，以15℃/min的速度冷却到室温，即制得铁二十面体纳米颗粒。