化学气相沉积法制备核/壳结构Co/C纳米颗粒的结构与热稳定性
发布时间：2021-11-10 22:32
以乙酰丙酮钴为原料,采用单步金属有机物化学气相沉积法,在600800℃温度下制备碳包覆钴的核/壳结构Co/C纳米颗粒。利用X射线衍射、透射电镜和Raman光谱仪等对合成产物的元素组成和结构进行表征,研究合成温度对产物形貌和结构的影响,分析Co/C核/壳纳米颗粒的形成机理,并通过差式扫描量热分析/热重分析研究产物的热稳定性。结果表明,不同反应温度下的产物中,Co核的粒径均在1060 nm之间,C壳层的厚度在1020 nm之间。随合成温度从600℃升至800℃,Co核由HCP和FCC的混合结构逐步转变为单一的FCC结构,而C层的结晶度逐渐升高。核/壳结构Co/C纳米颗粒在空气气氛下从250℃开始缓慢氧化,结晶度高的C壳层对Co核具有更好的保护作用。
【文章来源】：粉末冶金材料科学与工程. 2017,22(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同沉积温度下沉积产物的XRD谱
粒径分布在10~60nm之间，对200个颗粒的粒径进行统计分析，Co核的平均尺寸为35.8nm(见图2(a)中的插图)，与利用XRD谱和谢乐公式计算的31.8nm晶粒尺寸基本一致；从图2(b)清晰地看出该颗粒的C壳层厚度约12nm，而大量的TEM分析表明C层厚度通常在10~20nm之间；图2(c)显示该产物中有C以及FCC-Co和HCP-Co，与图1所示的分析结果一致。从图2(e)可看出，700℃下合成的产物，其Co核的平均尺寸约为32.1nm，与用谢乐公式估算的结果也基本一致。800℃下合成产物的平均粒径为33.4nm，但已无法探测到HCP-Co，与图1的分析结果一致。图3所示为不同温度下合成的Co/C纳米颗粒的Raman图谱。从图3可知，600℃下合成的Co/C颗粒的Raman光谱被波长为514nm的激光所激发。位于1353cm1处的D峰对应于碳材料中的晶格畸变或无序结构。在1590cm1处的G峰则对应于碳材料中的有序结构。通常用G峰与D峰强度的比值，即IG/ID表示材料的完整性或有序度[25,31]。在600，700和800℃下合成Co/C颗粒的IG/ID值分别为1.30，1.36和1.52。此外，700和800℃合成的Co/C颗粒的G峰半高宽明显小于600℃下合成的样品，也表明C壳层的结晶程度随沉积温度升高而明显提高[25,31]。根据上述结果与分析，以及采用类似方法合成的Cu/C[2427]，Fe/C[28]和Ni/C[2930]核/壳纳米结构的形成机理，提出Co/C核/壳纳米颗粒的形成过程：1)Co(acac)3在190℃的蒸发区发生升华而形成气相前驱体；2)气相前驱体在载气H2的作用下被传输到高温反应区(600～800℃)，分解形成Co原子团簇和含C图3不同温度下沉积的Co/C核/壳结构的Raman图谱Fig.3RamanpatternsoftheCo/Ccore/shellnanoparticlesatdifferenttemperatures的气体；3)含C气体在Co原子团簇表面发生
ratures的气体；3)含C气体在Co原子团簇表面发生催化裂解产生C原子，C原子吸附在Co原子团簇表面形成Co/C原子团簇；4)Co/C原子团簇在高温气氛中由于相互碰撞而团聚，并通过Co和C原子互扩散而形成核壳结构的Co/C纳米颗粒，然后沉积在高温区的石英基底上。由于高温下FCC-Co为稳定相而室温下HCP-Co为稳定相。因此，随沉积温度从600升至800℃，产物由HCP-Co和FCC-Co的混合物逐渐过渡到纯FCC-Co。但由于相变温度跟气压、晶粒尺寸以及表面的C等之间有复杂的依赖关系，因此严格的转换温度与块体Co材料有所不同[3233]。图4所示为核/壳Co/C纳米颗粒的DCS/TG曲线。由图可知，不同温度下合成的Co/C颗粒均在250℃开始缓慢氧化。600℃下合成的样品在280℃处有明显放热，质量明显增加，表明该温度下Co核开始氧图4不同温度下合成的Co/C核/壳纳米颗粒的DSC曲线(a)和TG曲线(b)Fig.4DSCcurves(a)andTGcurves(b)oftheCo/Ccore/shellnanoparticlespreparedatdifferenttemperatures
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cu/C核/壳纳米结构的气相合成、形成机理及其光学性能研究[J]. 黄小林,侯丽珍,喻博闻,陈国良,王世良,马亮,刘新利,贺跃辉. 物理学报. 2013(10)
本文编号：3488068
【文章来源】：粉末冶金材料科学与工程. 2017,22(02)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
不同沉积温度下沉积产物的XRD谱
粒径分布在10~60nm之间，对200个颗粒的粒径进行统计分析，Co核的平均尺寸为35.8nm(见图2(a)中的插图)，与利用XRD谱和谢乐公式计算的31.8nm晶粒尺寸基本一致；从图2(b)清晰地看出该颗粒的C壳层厚度约12nm，而大量的TEM分析表明C层厚度通常在10~20nm之间；图2(c)显示该产物中有C以及FCC-Co和HCP-Co，与图1所示的分析结果一致。从图2(e)可看出，700℃下合成的产物，其Co核的平均尺寸约为32.1nm，与用谢乐公式估算的结果也基本一致。800℃下合成产物的平均粒径为33.4nm，但已无法探测到HCP-Co，与图1的分析结果一致。图3所示为不同温度下合成的Co/C纳米颗粒的Raman图谱。从图3可知，600℃下合成的Co/C颗粒的Raman光谱被波长为514nm的激光所激发。位于1353cm1处的D峰对应于碳材料中的晶格畸变或无序结构。在1590cm1处的G峰则对应于碳材料中的有序结构。通常用G峰与D峰强度的比值，即IG/ID表示材料的完整性或有序度[25,31]。在600，700和800℃下合成Co/C颗粒的IG/ID值分别为1.30，1.36和1.52。此外，700和800℃合成的Co/C颗粒的G峰半高宽明显小于600℃下合成的样品，也表明C壳层的结晶程度随沉积温度升高而明显提高[25,31]。根据上述结果与分析，以及采用类似方法合成的Cu/C[2427]，Fe/C[28]和Ni/C[2930]核/壳纳米结构的形成机理，提出Co/C核/壳纳米颗粒的形成过程：1)Co(acac)3在190℃的蒸发区发生升华而形成气相前驱体；2)气相前驱体在载气H2的作用下被传输到高温反应区(600～800℃)，分解形成Co原子团簇和含C图3不同温度下沉积的Co/C核/壳结构的Raman图谱Fig.3RamanpatternsoftheCo/Ccore/shellnanoparticlesatdifferenttemperatures的气体；3)含C气体在Co原子团簇表面发生
ratures的气体；3)含C气体在Co原子团簇表面发生催化裂解产生C原子，C原子吸附在Co原子团簇表面形成Co/C原子团簇；4)Co/C原子团簇在高温气氛中由于相互碰撞而团聚，并通过Co和C原子互扩散而形成核壳结构的Co/C纳米颗粒，然后沉积在高温区的石英基底上。由于高温下FCC-Co为稳定相而室温下HCP-Co为稳定相。因此，随沉积温度从600升至800℃，产物由HCP-Co和FCC-Co的混合物逐渐过渡到纯FCC-Co。但由于相变温度跟气压、晶粒尺寸以及表面的C等之间有复杂的依赖关系，因此严格的转换温度与块体Co材料有所不同[3233]。图4所示为核/壳Co/C纳米颗粒的DCS/TG曲线。由图可知，不同温度下合成的Co/C颗粒均在250℃开始缓慢氧化。600℃下合成的样品在280℃处有明显放热，质量明显增加，表明该温度下Co核开始氧图4不同温度下合成的Co/C核/壳纳米颗粒的DSC曲线(a)和TG曲线(b)Fig.4DSCcurves(a)andTGcurves(b)oftheCo/Ccore/shellnanoparticlespreparedatdifferenttemperatures
【参考文献】：
期刊论文
[1]Cu/C核/壳纳米结构的气相合成、形成机理及其光学性能研究[J]. 黄小林,侯丽珍,喻博闻,陈国良,王世良,马亮,刘新利,贺跃辉. 物理学报. 2013(10)
本文编号：3488068
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