核壳结构碳/磁性纳米颗粒的约束弧等离子体制备与性能研究

Fe、Co、Ni magnetic nanoparticles have attracted considerable attention due to their unique microstructures and novel properties, and have extensive technological applications. However, the pure metal nanoparticles are activated and unstable, and easy oxidation and agglomeration in air, it is essential to coating a protective shell in practical applications, in order to improve the chemical stability of metal nanoparticles. In this study, we modify confined arc plasma equipment, and obtain an efficient technique to synthesize carbon-encapsulated metal nanoparticles. Investigate the influences of various processing parameters on the yield rate and microstructure of carbon-encapsulated magnetic nanoparticles in this process by systematic experiments, and obtain the optimum processing parameters. The chemistry composition, morphology, crystalline structure, specific surface area, inner core diameter, shell thickness, particle size and its distribution,spectrum absorption, element information of the surface and interface of the products by this process are investigated by using various testing technology.The relations between the oxidbillity and thermal stability of carbon-encapsulated magnetic nanoparticles and the storaging condition, temperature, atmosphere and time are studied through comparative experiments, and found the oxidization resistance mechanism of magnetic metal nanoparticles.The relations between the magnetic properties and the particle size of carbon-encapsulated magnetic nanoparticles are analyzed, and illustrate the magnetic sreucture, magnetization mechanism and magnetization process.The thermodynamics and kinetics problems in the process of particle nucleation and growth are discussed, and establish the reasonable theoretical model to explain the formation mechanisms of shell-core structure.

Fe、Co、Ni纳米颗粒以其独特的结构和新颖性能，具有广阔的应用前景，引起人们广泛的研究兴趣。但由于其化学活性强，稳定性差，易氧化和团聚，在实际应用时，需要对其表面进行包覆处理。本项目改进约束弧等离子体制备纳米粉体装置，获得一种高效可控合成碳包覆金属纳米颗粒的技术。通过系统的优化实验，掌握工艺参数对碳包覆纳米颗粒的产率和微观结构的影响规律。采用多种测试技术对核-壳结构纳米颗粒的化学成分、形貌、物相结构、比表面积、内核直径、壳层厚度、粒度分布、光谱吸收、表面与界面元素组成信息等特征进行全面表征。同时通过对比试验，研究碳包覆金属纳米颗粒的氧化性和稳定性随存储环境、温度、气氛和存储时间的变化规律，建立金属纳米颗粒氧化机制。研究纳米颗粒的磁学性能与粒径的关系，并阐明其磁结构、磁化机理和磁化过程。在此基础上进一步探讨等离子体制备碳包覆纳米颗粒在生长过程中热力学和动力学问题，建立核-壳结构的形成机理。

金属纳米颗粒具有化学活性强，稳定性差，易发生氧化和团聚，在实际应用时，需要对纳米粒子的表面进行表面包覆和修饰处理。通过电弧放电离子体制备纳米粉体装置，成功制备了核壳结构金属纳米颗粒，并对核壳结构纳米颗粒的微观结构、磁学性能、光学性能、热稳定性和抗氧化性能，以及其形成机理进行了系统研究，解决了项目申请书中提出的问题。研究结果表明：（1）采用我们自行设计研制的等离子体制备金属纳米粉体装置，实现高效可控制制备高质量的核壳结构金属纳米颗粒。（2）优化制备工艺条件，通过系统地实验研究，掌握电弧电流、气体种类和压力等工艺参数对金属纳米颗粒的颗粒大小、形貌和产率的影响规律，获得最佳制备工艺参数。（3）采用XRD、TEM、SAED、HRTEM、BET、EDS、Raman、FT-IR、AES、 XPS等技术手段对核-壳结构金属纳米颗粒的纯度、化学成分、形态、形貌、物相结构、比表面积和孔结构、粒度及其分布、壳层厚度、光谱吸收、表面和界面元素组成信息等特征进行全面表征。（4）研究碳包覆金属纳米颗粒的磁学性能与晶型、粒度和包覆物的种类的关系，并对其磁结构、磁化机理和磁化过程作一些初步的探讨。（5）通过对比试验，探究壳层结构对金属纳米颗粒活性和稳定性的影响，掌握核壳结构金属纳米粒子的氧化性和稳定性随气氛和储存时间的变化规律，建立金属纳米颗粒氧化机制。（6）研究等离子体制备碳包覆金属纳米颗粒生长过程中的热力学和动力学问题，解释核壳结构纳米颗粒生长原因和生长方式，提出合理的核-壳结构磁性纳米颗粒形成的微观机理。通过以上研究发现了一些新现象和新规律，获得新颖的学术性成果，具有很强的新颖性和独创性，这些研究不仅具有重大的理论意义，而且有巨大的潜在应用价值。