纳米磁性过渡金属碳化物的可控化学合成、结构及磁性研究

Nano-sized magnetic transition metal carbides can be potentially applied as new type non-rare-earth hard magnetic nanomaterials. In this project, investigation on the controlled chemical synthesis, structures, and magnetic properties of transition metal carbides MxC(M=Fe,Co,Ni;x=2,3) nanostructures will be performed. Our previous work showed that cobalt carbide nanoparticles exhibited higher coercivity at room temperature and could be potentially used as a new type of hard magnetic materials. Based on our previous result,transition metal carbides nanostructures, with different phases, sizes, microsturctures and magnetic properties, will be synthesized by a simple one-pot poyol reduction process. The growth mechanism of the carbides will be demonstrated. The effects of the microstructures of the carbides on the magnetic properties will be investigated based on structure and magnetic property characterization. The mechanism of coercivity of the carbides will be studied.Also, the intrinsic effects of magnetic moment density, magnetic crystalline anisotropy, size dependent, intergrain exchange coupling on the magnetic properties will be studied in detail. Based on the crystal structures, first-principles DFT-based calculations will be conducted on the transition metal carbides, the calculation of the magnetization, magneto-crystalline anisotropy and densities of states will be performed so that the physical nature of the carbides can be fully understood. We will establish the scientific relationship among synthesis, structure and magnetic properties based on therotical and experiments results. This project will provide new insight on the development of the new non-rare-earth type hard magnetic nanomaterials.

纳米磁性过渡金属碳化物MxC(M=Fe,Co,Ni；x=2,3)是一种新型非稀土硬磁材料,具有广阔的应用前景。本项目拟开展MxC的可控化学合成、结构及磁性研究。申请人前期研究发现Co2C-Co3C复合纳米粒子室温矫顽力为3.1kOe，具有作为一种新型硬磁材料潜力。本项目在前期工作的基础上，系统研究合成条件对MxC纳米材料结构（物相、尺寸和形貌）的影响规律，并阐明其生长机制。控制合成参数,调节纳米MxC尺寸、晶粒取向、形貌、物相组成，以调控MxC磁性，研究其结构对磁本征性质即磁矩密度和磁晶各向异性的内在影响规律，阐明MxC矫顽力机制。构建结构与磁性关系的理论模型，采用第一原理计算方法，计算MxC的电子态密度、磁矩密度和磁晶各向异性，从结构角度深入理解其物理本质。逐步建立纳米MxC材料化学合成-结构-磁性间的科学关系，为开发新型非稀土纳米硬磁材料提供实验和理论指导。

纳米磁性过渡金属碳化物MxC (M=Fe, Co, Ni；x=2,3)是一种潜在的新型稀土硬磁材料。本项目实现了Ni3C、Co2C的可控化学合成，研究其成相规律、结构、磁性及热稳定性。研究结果表明：溶液中[OH-]的浓度、反应温度、反应时间、溶剂种类是影响Ni3C物相的重要因素。在同样的反应时间，[OH-]越低、反应温度越高、溶剂的碳链越容易碳化，越容易生成Ni3C单相；反之，产物为Ni/Ni3C纳米结构，且在同样的反应温度条件下，反应时间越短，产物中的Ni的比例越高，结合磁性表征可知，Ni3C为非磁性物质。.采用多元醇回流法，以草酸钴、醋酸钴、乙酰丙酮钴分别为前驱物，调节[OH-]可以制备出Co2C单相，Co2C含量随着[OH-]的升高先减小后增大，随着反应温度和反应时间的升高而增大；以月桂酸钴为前驱物，无 OH-的条件下可以制备出Co2C单相。在室温下Co2C是铁磁性材料，不同前驱物制备的Co2C饱和磁化强度分别为在14.1-4.9 emu/g，矫顽力在547-768 Oe. 这与理论计算得到Co2C磁性相一致。Co2C在氩气中的分解温度随着升温速率的增大而升高，分解温度在367-410 ℃之间。研究阐明了碳化物遵从金属离子还原、催化生碳、碳扩散进入金属原子晶格的三步生长机理行程，其中控制这三步的反应速度是进行物相、尺寸、形貌及磁性调控的关键因素。此外，研究未能在四甘醇中合成Fe3C。 本项目研究通过调节合成参数，实现了碳化钴和碳化镍的结构及磁性调控，阐明了生长机制，建立了碳化物化学合成-结构-磁性间的科学关系，为开发新型非稀土纳米硬磁材料提供实验和理论指导。