铁系纳米粒子组装体系的微结构和磁性质关系研究

纳米尺度磁性材料由于其在磁记录、磁流体及催化剂等方面广泛深远的应用前景，近年来越来越受到关注。由于与磁性相关联的特征物理长度处于纳米量级，当样品尺寸与这些特征物理长度相当时，就会出现特殊而新奇的磁学与电学行为，其物理机制尚需进一步研究。.本项目以铁系纳米粒子（如Ni、NiPt、Fe2O3、Co3O4等）组装体系为研究对象，研究影响其磁学性质的重要因素，如原子结构、表面结构、电子态、缺陷态分布等，建立普适的铁系纳米粒子组装体系介观磁性理论模型；通过材料设计、可控合成和组装，构筑2-3套复杂结构铁系纳米粒子组装体系，探索纳米尺度微结构和磁性质等有别于简单粒子体系和体相的特殊性，在原子、亚原子层次揭示材料的制备-成分-微结构-磁学性能之间的内在联系，开展对铁系纳米材料相关物理模型的实验验证和理论修正工作，由物及理，在分子、原子层次上为高效、环境友好的铁系纳米材料的合成及应用提供实验及理论依据。

铁系纳米粒子组装体系是信息科技和能源领域的基础材料。随着现代电子信息产业向微型化、智能化、集成化发展，对铁系纳米粒子组装体系的微结构和磁性质关系研究提出了更高的要求。我们提出了一种水体系常温下化学还原制备多种尺寸、形貌以及结构的铁系双金属纳米材料的新方法，获得了高质量、单分散NiPt纳米球壳、NiPt纳米碗、Pt/NiPt纳米球壳、CoPt取向空心球链等一系列尺寸、形貌、结构和维度可控的铁系-Pt基双金属纳米结构，深入研究了材料的微结构与磁学等性能之间的关系，并观察到准一维结构由于形状各向异性增强的磁各向异性。运用原位高分辨扫描透射电子显微成像与三维重构技术，研究Pt/NiPt纳米空心球粒子在催化CO氧化反应过程中结构演化的规律，揭示了催化反应与原子结构的关系。.在乙二醇体系中通过简单的化学方法合成了具有规则外形的Au@Ni核壳结构纳米粒子。微结构分析和与理论模拟相结合，提出了其外延生长机制。磁性分析表明，样品在350 K下出现超顺磁性质，与理论模拟计算结果339 K。在油胺体系中合成了Au-Ni纺锤体状纳米粒子，在原子尺度原位研究了其在氧化和真空气氛中的结构稳定性和退火条件下的结构演化行为，结合模拟计算，研究了其原子结构与催化、磁学等性质间的相互关系。在此基础上，提出了设计、制备具有单晶壳层、大晶格失配度的金属-半导体核壳结构的新方法，合成了具有单晶壳层的Au@Ni12P5核壳结构纳米晶，显示优异的超级电容器特性，并推广到其他磁性纳米核壳结构的研究。关于Au@Ni12P5纳米晶的工作，NPG Asia Mater.杂志在Research Summary中以“半导体：进入问题的核心作专题评论。.基于铁系纳米粒子组装体系的微结构和其性质之间的关系研究，利用结构单元组合所产生的耦合效应、协同效应，构建了一些性能优异的纳米器件，如Ni(OH)2@Co(OH)2单晶六角纳米环，探索了其在能源等领域的应用。.在NPG Asia Mater.、Nano Energy、Nanoscale等刊物发表SCI论文25篇；在国际学术会议做Keynote报告1次、邀请报告14次；组织国际学术会议4次；申请、授权国家发明专利4项；培养博士研究生9名、硕士研究生5名。申请人2013年获国家自然科学奖二等奖，并被评为科学中国人（2012）年度人物。