制备具有磁诱导形态的软-硬磁性FeCo/SiO2/MnBi纳米颗粒的方法

摘要

本发明提供了制备具有磁诱导形态的软-硬磁性FeCo/SiO2/MnBi纳米颗粒的方法。具体地，提供了制备核-壳-壳FeCo/SiO2/MnBi纳米颗粒的方法，其中通过在施加的磁场中MnBi层的合成来形成MnBi壳的形态。

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及制备磁性核-壳-壳纳米颗粒的方法，该磁性核-壳-壳 纳米颗粒具有铁钴合金核、中间氧化硅壳和氧化硅壳上的锰铋合金表 面层，该锰铋合金表面层具有通过在施加的磁场内的纳米颗粒合成获 得的改变的形态。该方法提供了制备可调节为具有特定性质的磁性纳 米颗粒的进一步机会并且因此提供了适合用于制备永磁体的纳米颗粒 材料，该永磁体为标准钕铁硼(neodymiumironborate)永磁体材料 的不含稀土元素的替代物。

背景讨论

发明人正在进行采用由湿化学合成方法获得的纳米颗粒材料所获 得的软磁性材料和硬磁性材料两者的研究项目。因此2013年9月12 日提交的美国申请号14/025,033公开了作为硬磁性材料来源的具有5 至200nm的颗粒尺寸的MnBi纳米颗粒。另外，2014年4月14日提 交的U.S.14/252,036公开了作为软磁性材料来源的核-壳纳米颗粒， 该核-壳纳米颗粒具有小于200nm的铁钴纳米颗粒核与氧化硅壳和金 属硅酸盐界面。通过引用将两个申请的公开内容以其全文并入本文。 此外，在2014年5月6日提交的美国申请号14/270,619中，发明人 公开了核-壳-壳纳米颗粒，该纳米颗粒具有软磁性的铁钴合金纳米颗 粒核、该核上的第一氧化硅壳和另一个硬磁性的锰铋合金纳米涂层。 通过引用将美国申请号14/270,619以其全文并入本文。

磁性材料通常分为两类，其指定为可被永久磁化的硬磁物质或在 低的施加场下磁性可以翻转的软磁性材料。在软磁性材料中保持能量 损耗(通常称为“芯损耗”)为最小是重要的，而在硬磁性材料中优 选抵抗磁化的变化。高的芯损耗因此是永磁材料的特点并且在软磁性 材料中是不需要的。

许多如今的先进技术需要有效和强的硬磁体作为装置结构的基本 部件。这样的装置从移动电话延伸到高性能电动机并且显著的努力在 整个行业中持续以发现不仅满足目前需要而且还满足对于有效、较廉 价并且容易制备的硬磁体材料的日益增加的需求的材料。

常规地，通常认为钕铁硼为可获得的最强、表现最好的硬磁体材 料之一。然而，因为这种材料基于稀土元素钕，所以它是昂贵的并且 可获得的供应经常不是稳定的。因此，需要作为硬磁体表现等同于或 优于钕铁硼但是其基于可容易获得的并且较廉价的组分材料的材料。

通过将粉末压实成限定的形状并且然后在200℃或更高的温度下 烧结该压实体来由粉末构造磁性装置零件。在压实后烧结该零件对于 通过提供颗粒至颗粒结合并且因此提供强度来在该零件中实现令人满 意的力学性质是必要的。

在通信和发电领域的所有方面中的技术进步需要日益增加的强大 磁性粉末，该磁性粉末具有可控制或可调节的磁性性质，其允许制备 为经济的并且可容易获得的经调整的磁性零件。

因此，本发明的目的是提供用于制备纳米颗粒粉末的方法，该纳 米颗粒粉末具有的磁性性质根据该方法的可控制的变量为可调节的。

发明内容

根据本发明实现了这种目的和其它目的，本发明的第一实施方案 包括制备核-壳-壳FeCo/SiO₂/MnBi纳米颗粒的方法，其包括：

a)由普通溶液将铁离子和钴离子共还原；和

共沉淀FeCo合金纳米颗粒；

将该FeCo纳米颗粒从还原混合物分离；

b)在该FeCo纳米颗粒上形成氧化硅涂层以获得核-壳纳米颗 粒；和

c)通过用Mn试剂还原Bi用于从溶液中以MnBi合金形式沉淀到 氧化硅壳上来在该核-壳纳米颗粒上形成MnBi合金纳米涂 层，其中MnBi合金纳米涂层的形成c)在从50到800高斯 的磁场内进行。

在另一个实施方案中，本发明包括根据第一实施方案的方法获得 的核-壳-壳纳米颗粒。

在这个实施方案的一个方面，MnBi涂层的宽度可为从0.5到200 nm。

前述段落通过整体介绍而提供，并不旨在限制以下权利要求的范 围。参考结合附图的以下详细描述将最好地理解目前优选的实施方案 连同进一步的优点。

附图说明

图1显示了在实施例中制备的核-壳-壳纳米颗粒的TEM图像。

图2显示了在实施例中制备的核-壳-壳纳米颗粒的DSC扫描和 M(T)数据。

图3显示了在实施例中制备的核-壳-壳纳米颗粒的Z衬度TEM图 像。

图4显示了在实施例II中获得的核-壳-壳纳米颗粒与在实施例I 中获得的核-壳-核纳米颗粒的Z衬度TEM图像的对比。

具体实施方式

在整个该说明书中所描述的所有范围包括其中的所有值和子范 围，除非另外说明。

另外，在整个说明书中不定冠词“一个(a)”或“一个(an)” 带有“一个或多个”的含义，除非另有说明。

在磁性材料并且特别是纳米颗粒磁性材料的持续研究中，本发明 人确定了纳米颗粒形式的锰铋合金作为具有作为用于制造永磁体的钕 铁硼的替代品的潜在用途的材料。预测MnBi纳米颗粒呈现高达4T的 矫顽力。2013年9月12日提交的美国申请号14/025,033公开了该工 作的一些结果。

发明人还在进行对软磁性纳米颗粒材料的持续研究，例如2014 年4月14日提交的美国申请号14/252,036中公开的，其中公开的核- 壳纳米颗粒具有小于200nm的铁钴纳米颗粒核与氧化硅壳和金属硅酸 盐界面。

在对这些和其它的体系的持续研究中，发明人出乎预料地发现通 过向FeCo合金核氧化硅涂层核-壳纳米颗粒施加锰铋纳米涂层而获得 的核-壳-壳纳米颗粒提供了根据核-壳-壳组分各自的相对尺寸和属性 具有高度可调节的磁性性质的材料。在一个纳米颗粒内这样的软磁性 部件与硬磁性组分的复杂组合是新颖的并且提供许多发现和开发新型 磁性材料和装置的机会。

在第一实施方案中，本发明包括制备核-壳-壳FeCo/SiO₂/MnBi纳 米颗粒的方法，其包括：

a)由普通溶液将铁离子和钴离子共还原；和

共沉淀FeCo合金纳米颗粒；

将该FeCo纳米颗粒从还原混合物分离；

b)在该FeCo纳米颗粒上形成氧化硅涂层以获得核-壳纳米颗 粒；和

c)通过用Mn试剂还原Bi用于从溶液中以MnBi合金形式沉淀到 氧化硅壳上来在该核-壳纳米颗粒上形成MnBi合金纳米涂 层；其中MnBi合金纳米涂层的形成c)在从50到800高斯 的磁场内进行。

发明人发现可以经由可改变的湿化学方法实现涂覆有各种厚度的 氧化硅壳的单个FeCo合金纳米颗粒的形成。出乎预料地，发明人发现 界面金属硅酸盐的形成可显著改变这些超高表面积FeCo合金纳米颗 粒体系中的纳米磁性。在Fe和Co的2p跃迁内收集的X射线光电子能 谱中观察到金属硅酸盐界面层形成的证据；并且随着氧化硅壳的厚度 增加(通过改变氧化硅反应的持续时间)，形成较厚的界面金属硅酸 盐层，增加了纳米颗粒的总体磁各向异性，这由增加的阻挡温度和改 变的矫顽力证明。因此发明人出乎预料地发现通过采用不同程度的湿 合成处理时间制备包封在氧化硅壳中的超顺磁铁钴合金纳米颗粒，可 获得具有不同的纳米磁性性质的核壳FeCo纳米颗粒。在某些实施方案 中，铁钴合金纳米颗粒核的直径为100nm或更小，并且在其它实施方 案中，铁钴合金纳米颗粒核的直径为从2nm到50nm。

根据本发明，铁钴合金纳米颗粒晶粒为铁钴合金的单个颗粒磁畴 的尺寸或接近该尺寸，并且因此为超顺磁的。虽然不受理论束缚，但 是发明人认为将晶粒尺寸控制为接近颗粒磁畴的尺寸是促进根据本发 明的磁性芯的减小的滞后的因素。此外，在核晶粒附近隔离的氧化硅 壳的存在是促进根据本发明的磁性芯的低涡流形成的因素。

常规已知对于单个磁畴颗粒表现出超顺磁性的颗粒尺寸范围具有 该颗粒化学组成的上边界特性。

发明人发现在二氧化硅壳的合成期间同时形成了金属硅酸盐薄层 界面。在Fe和Co的2p跃迁内收集的X射线光电子能谱中观察到金属 硅酸盐界面层形成的证据；并且随着氧化硅壳的厚度增加(通过改变 氧化硅反应的持续时间)，形成较厚的界面金属硅酸盐层，增加了纳 米颗粒的总体磁各向异性，这由增加的阻挡温度和改变的矫顽力证明。 发明人认识到这种界面金属硅酸盐层对控制磁性性质的效果的理解是 在将这些材料在应用中有效用作低损耗变压器芯的关键要素。

在FeCo合金核壳纳米颗粒的研究中，发明人发现在二氧化硅壳涂 层合成期间形成的界面金属硅酸盐改变了作为较高各向异性相的纳米 颗粒的总体磁各向异性，该较高各向异性相为Fe基和Co基硅酸盐的 组合，与裸FeCo纳米颗粒相比起到增加纳米颗粒的“磁性活性体积” 的作用。

合成了二元合金FeCo单个磁畴纳米颗粒样品(参见实施例)，不 同之处在于改变SiO₂反应时间的持续时间，这导致不同厚度的SiO₂壳：1分钟反应时间产生3nm厚的壳，10分钟产生4nm厚的壳，并 且20分钟产生6nm厚的壳。确定了平均FeCo纳米颗粒直径和SiO₂壳厚度，并且对于所有三种核/壳纳米颗粒样品(FeCo/SiO₂(3nm), FeCo/SiO₂(4nm)和FeCo/SiO₂(6nm))，发现平均FeCo核直径为4± 1nm，这表明纳米颗粒核合成中高程度的可再现性。以类似的方式确 定了氧化硅壳的厚度并且发现对于FeCo/SiO₂(3nm)、FeCo/SiO₂(4nm) 和FeCo/SiO₂(6nm)样品其分别为3±1nm、4±1nm和6±1nm。 从TEM图像观察到FeCo核完全由氧化硅壳覆盖。X射线衍射图案分析 表明Fe硅酸盐和Co硅酸盐两者的存在。然而，相对比例似乎是可变 化的，并且尽管不希望受理论束缚，发明人仍认为金属硅酸盐含量可 与金属硅酸盐形成的热力学能有关。研究显示在合成过程期间Fe硅酸 盐和Co硅酸盐在FeCo纳米颗粒核与SiO₂壳之间的界面处形成。然而， 不同核/壳纳米颗粒体系的Fe⁰和Co⁰金属峰的相对积分区域表明Fe硅 酸盐可比Co硅酸盐优先形成。

可通过硼氢化钠与二氯化铁和二氯化钴在氢氧化钠与四辛基溴化 铵的溶液中的乙醇反应来合成Fe-Co/SiO₂纳米颗粒。可使用三乙胺作 为基础(base)催化剂用处于水乙醇混合物中的原硅酸四乙酯处理所 获得的纳米颗粒以形成氧化硅壳。然后可使用含水乙醇冲洗来净化这 些颗粒。

如指出的，Fe-Co纳米颗粒的处理长度确定二氧化硅涂层的宽度， 并且相应地确定金属硅酸盐层的宽度。处理时间越长，涂层的量越大 并且金属硅酸盐层的宽度越大。

可进行该合成持续对于制备0.5至20nm、优选0.8至10nm并 且最优选1.0至8nm的金属硅酸盐层为必要的时间。

根据本发明，在施加的磁场的影响下在FeCo氧化硅核壳纳米颗粒 上形成锰-铋涂层。该磁场的强度可为从10到1000高斯，优选25到 900高斯并且最优选50到800高斯。该磁场的来源没有限制并且例如 可通过将该反应混合物置于接近一个永磁体、邻近电磁体、在两个永 磁体之间或者通过将该反应混合物置于螺线管内来形成。

可通过包括如下步骤的方法形成锰-铋合金涂层：在FeCo氧化硅 核壳纳米颗粒的存在下球磨Mn粉末与氢化物还原剂；伴随搅拌向醚溶 剂中的Mn氢化物还原剂添加烷基胺和长链羧酸盐的铋盐溶液；完成铋 盐溶液添加时；并且继续搅拌以形成核-壳-壳FeCo/SiO₂/MnBi纳米颗 粒。

用于氢化物处理的醚溶剂可为与氢化物反应条件兼容的任何醚。 合适的醚溶剂包括四氢呋喃(THF)、2-甲基四氢呋喃、二乙醚、二异 丙基醚、1,4-二噁烷、二甲氧基乙烷、二乙二醇二乙醚、2-(2-甲氧 基乙氧基)乙醇和甲基叔丁基醚。THF可为优选的溶剂。

氢化物还原剂可为能够与锰反应的任何材料并且包括NaH、LiH、 CaH₂、LiAlH₄和LiBH₄。LiBH₄可为优选的氢化物处理剂。根据本发明， 优选的氢化物可为在锰与LiBH₄之间形成试剂络合物的氢化物。

氢化物处理可包括在行星式球磨机中以150至400rpm球磨锰粉 末与硼氢化锂粉末4小时。可优化这些条件的变体以大致产生理想的 锰与硼氢化锂络合物。

另外，氢化物与Mn的化学计量比可为从1/1到100/1。

可以以任何醚可溶盐形式添加铋并且优选作为长链羧酸的盐添加 铋。在一个优选的实施方案中，以新癸酸铋添加Bi。Bi与Mn的摩尔 比可为从0.8/1到1.2/1。优选地Bi/Mn的比例为从0.9/1到1.1/1， 并且最优选地Bi/Mn的比例为1/1。可以改变铋化合物的添加时间以 优化和改变MnBi涂层的尺寸和性质。涂层宽度可为从0.5到200nm， 优选1.0至100nm并且最优选2至20nm。优选地添加时间小于一小 时并且在一个优选的实施方案中，添加时间为约20分钟。

伴随添加铋化合物，可以向该反应混合物任选添加有机胺(优选 具有从6到12个碳的碳链的伯胺)以达到涂覆的核-壳-壳纳米颗粒的 较小尺寸。可将所得的固体从反应母液移除并且用水洗掉可溶的杂质。

如图2所示，当在退火过程中热处理本发明的核-壳-壳纳米颗粒 时，软相FeCo和硬相MnBi两者分别在FeCo和MnBi的特性温度下退 火。

已经整体上描述本发明，可参考一些特定实施例来获得进一步的 理解，在本文中提供一些特定实施例仅出于说明的目的而不旨在进行 限制，除非另外说明。本领域技术人员将认识到本发明的装置作为蓄 电池的用途以及本文中描述的电解质体系的通常用途。

实施例

I.在不施加磁场的情况下制备核-壳-壳铁-钴/氧化硅/锰铋纳米颗粒

a)将0.489g氢氧化钠、12.892g四辛基溴化铵、10.922g四水 合二氯化铁和12.042g六水合氯化钴溶解在250mL乙醇中并且置于 氩下。随后向该铁钴混合物添加溶解于450mL乙醇中的12.258g硼氢 化钠的溶液。在完成硼氢化物添加时，用100mL水稀释该反应混合物。 然后用70％水/30％乙醇洗涤产物FeCo纳米颗粒。

b)随后将FeCo纳米颗粒悬浮在625mL水和2mL三乙胺的混合 物中。然后向该FeCo悬浮液添加处于390mL乙醇中的0.5mL原硅酸 四乙酯的溶液并且使所获得的混合物反应15分钟以获得涂覆氧化硅 的纳米颗粒。随后用乙醇洗涤该经涂覆的纳米颗粒。

c)将涂覆氧化硅的FeCo纳米颗粒(0.27g)悬浮在200mLTHF 中。随后向该FeCo纳米颗粒悬浮液添加0.152g庚基氰、0.008g硼 氢化锂和0.012gMn(LiBH₄)₂。然后向该搅拌的悬浮液逐滴添加处于 15mLTHF中的0.082克新癸酸铋的溶液。最后用THF洗涤该产物。

在图1中显示了所制备的核-壳-壳纳米颗粒的TEM图像。

图3的Z衬度TEM图像显示MnBi相如何在整个FeCo/SiO₂中具有 岛状分布。

图2显示了随着显示可归于FeCo和MnBi纳米相的退火特征的温 度的DSC和M(T)数据。

II.在施加磁场的情况下制备核-壳-壳铁-钴/氧化硅/锰铋纳米颗粒

根据实施例I的a)和b)精确地制备涂覆氧化硅的FeCo纳米颗 粒。

随后在阶段c)中将涂覆氧化硅的FeCo纳米颗粒(0.27g)悬浮 在200mLTHF中。向该FeCo纳米颗粒悬浮液添加0.152g庚基氰、 0.008g硼氢化锂和0.012gMn(LiBH₄)₂。将含有该悬浮液的反应烧瓶 置于多个永磁体内以向该混合物施加550高斯的磁场。然后在磁场内 向该搅拌的悬浮液逐滴添加处于15mLTHF中的0.082克新癸酸铋的 溶液。如实施例I那样用THF洗涤所得的产物。

在图4中显示了在实施例II中获得的纳米颗粒的Z衬度TEM图像 与在实施例I中获得的纳米颗粒的Z衬度TEM图像的对比，其显示由 在磁场内进行MnBi涂覆所致的MnBi合金的分布的巨大差异。