一种氮化铁纳米线及其制备方法

文档序号:10502677阅读:751来源:国知局
一种氮化铁纳米线及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种氮化铁纳米线及其制备方法。该发明在电解槽中采用电沉积法在氧化铝基板上制备铁纳米线;将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入O2,在300~400℃氧化1?10h,以获得氧化铁纳米线;通入氢气,在300~400℃还原4?20h,以重新获得铁纳米线;通入氨气,在120~200℃氮化1~30h,获得高α"?Fe16N2含量的氮化铁纳米线。该方法通过纳米尺度的线状铁粉制备氮化铁,其在直径方向尺寸非常小,有利于氮化。
【专利说明】
一种氮化铁纳米线及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种氮化铁纳米线及其制备方法,属于材料制备领域。
【背景技术】
[0002]具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁,一经磁化即能保持恒定磁性的材料。又称硬磁材料。实用中,永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。永磁材料包括铁氧体永磁、稀土永磁(稀土钴、钕铁硼等)、铝镍钴、铁铬钴、铝铁等材料,其中最常用、用量最大的是铁氧体永磁、钕铁硼稀土永磁。目前磁性能最好的就是钕铁硼永磁体,有着“磁王”的美誉。但钕铁硼本身并不完美,缺点同样明显,比如:稀土含量高,价格高、耐腐蚀性差。因此,人们一直在积极寻找新一代永磁材料。而氮化铁的出现,使这一切成为可會K。
[0003]随氮含量的变化,氮化铁具有不同的结构和性能,主要包括间隙固溶体(α,γ,ε),化合物相(T '-Fe4N, E-Fe3N)和介稳相(cT-马氏体和CT-Fe16N2)。所有氮化铁都为亚稳相,会分解成?6和仏。但在400°C以下其分解的动力学过程非常缓慢,受动力学过程限制,氮化铁相在室温可以稳定存在。这其中a〃-Fe16N2的饱和磁化强度值为2.83 T,远高于其他材料,弓丨起人们浓厚的兴趣。
[0004]多年来,众多科学家使用了多种方法,如:氮化退火法、共析法、离子注入法、化学气相沉积法,物理气相沉积法等。然而令人遗憾的是一直未能成功的制备单相的a〃-Fe16N2。一个可能的原因是:α〃-Fe16N2是亚稳相,在温度超过200°C时易分解为α+γ '-Fe4N13而Fe4N,Fe3N是稳定的相,在用传统的薄膜沉积技术制备Fe-N薄膜的过程中,具有较低饱和磁化强度的Fe4N, Fe3N化合物比亚稳相α 〃-Fe16N2更易形成,所以制备纯单相α 〃-Fe16N2是比较困难的。1989年,日本日立研究所的Sugita等人用分子束外延法在InQ.2GaQ.8AS(001)单晶基片上成功制备出Z-Fe16N2单晶薄膜,并用振动样品磁强计测得其饱和磁化强度值为2.9T。
[0005]近年来,采用纳米氧化铁粉,采用H2还原,NH3氮化制备也被广泛关注。但这种方法一个缺点在于H2还原后获得的铁粉活性大,相互团聚严重,阻碍了氮化进程。为了克服纳米颗粒的团聚,不少科学家采用纳米氧化铁粉外包覆氧化铝或者氧化硅的方法,并且取得了一定效果。但新的问题出现了,氧化铝和氧化硅为非磁性组元,降低了体系的磁化强度。
[0006]实际上,同样体积的材料,圆形的形状所获得的表面积是最小的,比圆柱、薄片等形状都要小得多。而氮化效果又直接取决于表面积。因此,如果采用线状的铁粉来制备氮化铁材料,氮化效率应该好的多。众所周知,电沉积法是制备铁纳米线的常用方法之一。因此,本发明的目的是以氧化铝为模板,采用电沉积法来制备在直径方向为纳米尺寸的铁纳米线,为氮化提供有利条件,进而通过氧化、还原、氮化,获得Z-Fe16N2相,提高氮化铁材料的磁性。

【发明内容】

[0007]本发明的目的在于提供一种高CT-Fe16N2含量的氮化铁纳米线,同时提供一种采用电沉积法来制备在直径方向为纳米尺寸的铁纳米线,进而通过氧化、还原和氮化,获得氮化铁纳米线的制备方法。
[0008]本发明的具体步骤为:
第一步:铁纳米线制备
在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性;
所述的沉积液成分为:FeS04.7出0、冊03、(順4)2504和维生素(:;
在这个沉积液配方中,HBO3作为缓冲剂稳定沉积液的PH值,加入(NH4)2SO4是为了使金属离子更容易沉积到氧化铝的纳米孔道中,沉积液中加入维生素C是为了防止Fe2+被氧化;第二步:氧化、还原
将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入O2,在300?400°C氧化1-1Oh,以获得氧化铁纳米线;
通入氢气,在300?400 °C还原4-20h,以重新获得铁纳米线;
第三步:氮化
通入氨气,在120?200°C氮化I?30h;降温,随炉冷却至室温,取出样品,即可获得氮化铁纳米线,其相组成主要为a "-Fe16N2,并包含部分α-Fe相。
[0009]本发明的优点在于:通过纳米尺度的线状铁粉制备氮化铁,其在直径方向尺寸非常小,有利于氮化。
【具体实施方式】
[0010]下面结合实施例对本发明进行详细描述,以便更好地理解本发明的目的、特点和优点。虽然本发明是结合该具体的实施例进行描述,但并不意味着本发明局限于所描述的具体实施例。相反,对可以包括在本发明权利要求中所限定的保护范围内的实施方式进行的替代、改进和等同的实施方式,都属于本发明的保护范围。对于未特别标注的工艺参数,可按常规技术进行。
[0011]本发明的具体步骤为:
第一步:铁纳米线制备
在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性;
所述的沉积液成分为:FeS04.7出0、冊03、(順4)2504和维生素(:;
在这个沉积液配方中,HBO3作为缓冲剂稳定沉积液的PH值,加入(NH4)2SO4是为了使金属离子更容易沉积到氧化铝的纳米孔道中,沉积液中加入维生素C是为了防止Fe2+被氧化;第二步:氧化、还原
将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入O2,在300?400°C氧化1-1Oh,以获得氧化铁纳米线;
通入氢气,在300?400 °C还原4-20h,以重新获得铁纳米线;
第三步:氮化通入氨气,在120?200 °C氮化I?30h;降温,随炉冷却至室温,取出样品。
[0012]通过本发明可以制备α〃-Fe16N2含量高的氮化铁纳米线。
[0013]实施例1:
步骤为:
第一步:铁纳米线制备
在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:准备电沉积液,其配方为:FeSO4.7Η20、ΗΒ03、(NH4)2S04和维生素C ; 一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性;
第二步:氧化、还原
将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入02,在300°C氧化10h,以获得氧化铁纳米线;
通入氢气,在300°C还原20h,以重新获得铁纳米线;
第三步:氮化
通入氨气,在120°C氮化30h;降温,随炉冷却至室温,取出样品。
[0014]对实施例1所制备的样品进行XRD和SEM表征,检测到了CT-Fe16N2相,并发现氮化铁形貌为纳米线。
[0015]实施例2:
步骤为:
第一步:铁纳米线制备
在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:准备电沉积液,其配方为:FeSO4.7H20、HB03、(NH4)2S04和维生素C ; 一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性;
第二步:氧化、还原
将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入02,在320°C氧化8h,以获得氧化铁纳米线;
通入氢气,在320°C还原16h,以重新获得铁纳米线;
第三步:氮化
通入氨气,在140°C氮化16h;降温,随炉冷却至室温,取出样品。
[0016]对实施例2所制备的样品进行XRD和SEM表征,检测到了α〃-Fe16N2相,并发现氮化铁形貌为纳米线。
[0017]实施例3:
步骤为:
第一步:铁纳米线制备
在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:准备电沉积液,其配方为:FeSO4.7Η20、ΗΒ03、(NH4)2S04和维生素C ; 一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性; 第二步:氧化、还原
将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入02,在340°C氧化6h,以获得氧化铁纳米线;
通入氢气,在340 °C还原12h,以重新获得铁纳米线;
第三步:氮化
通入氨气,在160°C氮化8h;降温,随炉冷却至室温,取出样品。
[0018]对实施例3所制备的样品进行XRD和SEM表征,检测到了α〃-Fe16N2相,并发现氮化铁形貌为纳米线。
[0019]实施例4:
步骤为:
第一步:铁纳米线制备
在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:准备电沉积液,其配方为:FeSO4.7Η20、ΗΒ03、(NH4)2S04和维生素C ; 一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性;
第二步:氧化、还原
将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入02,在360°C氧化4h,以获得氧化铁纳米线;
通入氢气,在360 °C还原8h,以重新获得铁纳米线;
第三步:氮化
通入氨气,在170°C氮化4h;降温,随炉冷却至室温,取出样品。
[0020]对实施例4所制备的样品进行XRD和SEM表征,检测到了α 〃-Fe16N2相,并发现氮化铁形貌为纳米线。
[0021]实施例5:
步骤为:
第一步:铁纳米线制备
在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:准备电沉积液,其配方为:FeSO4.7Η20、ΗΒ03、(NH4)2S04和维生素C ; 一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性;
第二步:氧化、还原
将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入02,在380°C氧化2h,以获得氧化铁纳米线;
通入氢气,在380 °C还原6h,以重新获得铁纳米线;
第三步:氮化
通入氨气,在180°C氮化2h;降温,随炉冷却至室温,取出样品。
[0022 ]对实施例5所制备的样品进行XRD和SEM表征,检测到了 α 〃-Fe 16他相,并发现氮化铁形貌为纳米线。
[0023] 实施例6: 步骤为:
第一步:铁纳米线制备
在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:准备电沉积液,其配方为:FeSO4.7H20、HB03、(NH4)2S04和维生素C ; 一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性;
第二步:氧化、还原
将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入02,在400°C氧化lh,以获得氧化铁纳米线;
通入氢气,在400°C还原4h,以重新获得铁纳米线;
第三步:氮化
通入氨气,在200°C氮化Ih;降温,随炉冷却至室温,取出样品。
[0024]对实施例6所制备的样品进行XRD和SEM表征,检测到TcT-Fe16Ndg,并发现氮化铁形貌为纳米线。
【主权项】
1.一种氮化铁纳米线,其特征在于:氮化铁的主要相为V-Fe16N2,并包含部分α-Fe相;氮化铁形貌为线状,直径为纳米级。2.如权利要求1所述的一种氮化铁纳米线,其特征在于制备步骤为: 第一步:铁纳米线制备 在电解槽中采用电沉积法制备铁纳米线:一边电极为氧化铝模板,另一边电极为钢片,加入沉积液后,通1V交流电压,沉积20分钟左右,沉积完成后,用饱和SnCl2溶液溶解去除铝基,用NaOH溶液将氧化铝模板溶解后释放出纳米线,然后用蒸馏水洗至中性; 所述的沉积液成分为:FeS04.7H20、HBO3、(NH4)2S04和维生素C; 第二步:氧化、还原 将铁纳米线取出,置于热处理炉中,以恒定的速率通入02,在300?400°C氧化l-10h,以获得氧化铁纳米线; 通入氢气,在300?400 °C还原4-20h,以重新获得铁纳米线; 第三步:氮化 通入氨气,在120?200°C氮化1?30h;降温,随炉冷却至室温,取出样品,即可获得氮化铁纳米线。
【文档编号】C01B21/06GK105858625SQ201610469980
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月26日
【发明人】李静, 杨艳婷, 彭晓领, 王攀峰, 徐靖才, 洪波, 金红晓, 金顶峰, 王新庆, 葛洪良
【申请人】彭晓领
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