一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法
2023-10-31 07:09:57 3
專利名稱：一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法
技術領域：
本發明屬於納米材料製備技術領域，特別涉及一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法。
背景技術：
鐵是世界上最豐富的金屬元素之一，跟人類的生活和生產息息相關。鐵納米顆粒在磁性和催化等領域的潛在應用，尤其是鐵納米顆粒作為超順磁材料在醫學上的應用逐漸得到研究者的重視。在鐵納米顆粒製備過程中，控制鐵納米顆粒的尺寸和形貌是重要的挑戰。研究者開發了熱分解法、化學還原法和氣相法等製備
鐵納米顆粒，但這些方法製備的顆粒多為球形，形貌單一。目前，只有Chaudret等(Science, 2004， 303:821-823)用改進的熱分解法製備丫立方體的鐵納米顆粒，Fukano (J Appl Phys， 1974, 13:1001-1002)和Uyeda (J Cryst Growth, 1974,24/25:69-75)用氣相法製備了十面體和三角片形貌的鐵納米顆粒。納米材料的物理和化學性能與其尺寸和結構密切相關，規則形貌的鐵納米顆粒的可控制備亟待解決。
1969年,Ino (JPhysSocJpn, 1969,27:941-953)通過熱力學計算預測，當鐵納米顆粒小到數十納米時會出現二十面體的結構；1999年，Sakurai(JChemPhys,1999,111:235-238)用質譜觀察到含有13個鐵原子的穩定團簇，推測為鐵二十面體；2007年，通過第一性原理計算，Rollmann (Phys Rev Lett, 2007,99:083402)
等人指出當鐵納米顆粒(團簇)含55個原子時，二十面體是最穩定的結構。發明內容本發明的目的是提供一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法。一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，其特徵在於，該方法步驟如下
(1) 將濃度為0.05~0.09g/mL的溫和還原劑和濃度為0.02 0.2g/mL的鐵鹽溶於去離子水中，攪拌直至完全溶解即製得鐵—十面體納米顆粒前驅體，所述鐵鹽為Fe(N03)3或FeCl2，所述溫和還原劑為聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇；
(2) 將歩驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器中，用靜電紡絲的方法將醫用注射器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓相連接，在針尖正下方10 18cm處放置接地鋁箔作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶薄膜作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，在非晶薄膜和針頭之間設置一不鏽鋼網用以去除噴射出來的納米纖維；
(3) 針頭上加15~18kV的高壓，前驅體溶液在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶薄膜上；
(4) 將噴射有前驅體的非晶薄膜在真空度小於l(T5Pa的真空腔內加熱，加熱溫度為300 38(TC，時間為0.5~0.8h，以10~20°C/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。
所述非晶薄膜為非晶碳膜或者非晶氧化矽膜。所述聚乙烯吡咯烷酮分子量為13000。所述聚乙二醇分子量為8000。
本發明的有益效果為(l)本發明提供了一種操作簡便、重複性好的製備鐵二十面體納米顆粒的方法；(2)本發明方法不需要複雜設備，鐵二十面體納米顆粒的產率在90%以上；(3)本發明製備的鐵二十面體納米顆粒在催化等領域具有良好的應用前景；(4)以Fe(N03)3或FeCl2為鐵鹽，以聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇為溫和還原劑製備前軀體，在真空腔內300 38(TC加熱0.5 0.8h，加熱溫度低，時間短。
圖1是本發明製備方法示意圖2是實施例1製備的鐵二十面體納米顆粒的低倍透射電鏡形貌像；
圖3是實施例1製備鐵二十面體納米顆粒二次軸的結構示意圖(a)、高分辨
像(b)和高分辨像模擬像(c);
圖中標號l-醫用注射器；2-前軀體溶液；3-不鏽鋼網；4-非晶薄膜；5-接地鋁箔；6-靜電紡絲裝置的正高壓。
具體實施例方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明
實施例1
一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，製備方法示意圖如圖l所示，該方法步驟如下
(1) 將0.5gFe(NO3)3和0.6g聚乙二醇(PEG,分子量為8000)溶於10 ml去離
子水中，磁力攪拌直至完全溶解即製得鐵二十面體納米顆粒前驅體PEG /Fe3+;
(2) 將步驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器1中，用靜電紡絲的方法將醫用注射器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓6相連接，在針尖正下方10cm處放置接地鋁箔5作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶薄膜4 (此處選用非晶碳膜)作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，因噴射出來的前軀體中會有部分納米纖維，所以在非晶碳膜和針頭之間設置一孔徑較大的不鏽鋼網3用以去除噴射出來的納米纖維；
(3) 針頭上加15kV高壓，前驅體溶液2在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶碳膜上；
(4) 將噴射有前驅體的非晶碳膜在真空度小於l(T5Pa的真空腔(雷射脈衝鍍膜系統)內加熱，加熱溫度為300。C，加熱時間為0.5h，以15'C/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。
本實施例製備的鐵納米顆粒的低倍透射電鏡形貌像如圖2所示，從圖中可以
看出在非晶碳膜上形成了均勻分散的鐵納米顆粒。如圖3所示為鐵二十面體納米顆粒二次軸的結構示意圖(a)、高分辨像(b)和高分辨像模擬像(c)，從高分辨實驗像和模擬像的對比來看，生成的鐵納米顆粒確為二十面體結構。實施例2
一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，該方法步驟如下
(1) 將0.7gFe(NO3)3和0.5g聚乙二醇(PEG,分子量為8000)溶於10ml去離子水中，磁力攪拌直至完全溶解即製得鐵二十面體納米顆粒前驅體PEG/F^+;
(2) 將步驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器中，用靜電紡絲的方法將醫用注射器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓相連接，在針尖正下方15cm處放置接地鋁箔作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶碳膜作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，因噴射出來的前軀體中會有部分納米纖維，所以在非晶碳膜和針頭之間設置一孔徑較大的不鏽鋼網用以去除噴射出來的納米纖維；
(3) 針頭上加16kV高壓，前驅體溶液在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶碳膜上；
(4) 將噴射有前驅體的非晶碳膜在真空度小於10—5Pa的真空腔(雷射脈衝鍍膜系統)內加熱，加熱溫度為35(TC，加熱時間為0.6h，以12°C/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。
實施例3
一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，該方法步驟如下
(l)將0.9gFeCl2和0.8g聚乙二醇(PEG,分子量為8000)溶於10ml去離子
水中，磁力攪拌直至完全溶解即製得鐵二十面體納米顆粒前驅體PEG /Fe2+;(2) 將步驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器中，用靜電紡絲的方法將醫用注射
器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓相連接，在針尖正下方18cm處放置接地鋁箔作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶氧化矽膜作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，因噴射出來的前軀體中會有部分納米纖維，所以在非晶氧化矽膜和針頭之間設置一孔徑較大的不鏽鋼網用以去除噴射出來的納米纖維；
(3) 針頭上加18kV高壓，前驅體溶液在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶氧化矽膜上；
(4) 將噴射有前驅體的非晶氧化矽膜在真空度小於10—5Pa的真空腔(雷射脈衝鍍膜系統)內加熱，加熱溫度為38(TC，加熱時間為0.8h，以11'C/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。
實施例4
一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，該方法步驟如下-
(1) 將1.2gFe(N03)3和0.9g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為13000)溶於10ml去離子水中，磁力攪拌直至完全溶解即製得鐵二十面體納米顆粒前驅體PVP/Fe3+;
(2) 將步驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器中，用靜電紡絲的方法將醫用注射器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓相連接，在針尖正下方14cm處放置接地鋁箔作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶碳膜作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，因噴射出來的前軀體中會有部分納米纖維，所以在非晶碳膜和針頭之間設置一孔徑較大的不鏽鋼網用以去除噴射出來的納米纖維；
(3) 針頭上加17kV高壓，前驅體溶液在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶碳膜上；
(4) 將噴射有前驅體的非晶碳膜在真空度小於l(T5Pa的真空腔(雷射脈衝鍍膜系統)內加熱，加熱溫度為320。C，加熱時間為0.7h，以13。C/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。實施例5
一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，該方法步驟如下
(1) 將0.8gFe(NO3)3和0.7g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為13000)溶於10ml去離子水中，磁力攪拌直至完全溶解即製得鐵二十面體納米顆粒前驅體PVP/Fe3+;
(2) 將步驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器中，用靜電紡絲的方法將醫用注射器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓相連接，在針尖正下方16cm處放置接地鋁箔作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶氧化矽膜作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，因噴射出來的前軀體中會有部分納米纖維，所以在非晶氧化矽膜和針頭之間設置一孔徑較大的不鏽鋼網用以去除噴射出來的納米纖維；
(3) 針頭上加18kV高壓，前驅體溶液在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶氧化矽膜上；
(4) 將噴射有前驅體的非晶氧化矽膜在真空度小於lO—Spa的真空腔(雷射脈衝鍍膜系統)內加熱，加熱溫度為33(TC，加熱時間為0.7h，以15i:/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。
實施例6
--種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，該方法步驟如下
(1) 將1.5gFeCl2禾卩0.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為13000)溶於10 ml
去離子水中，磁力攪拌直至完全溶解即製得鐵二十面體納米顆粒前驅體PVP/Fe2+;
(2) 將步驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器中，用靜電紡絲的方法將醫用注射
8器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓相連接，在針尖正下方17cm處放置接地鋁箔作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶碳膜作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，因噴射出來的前軀體中會有部分納米纖維，所以在非晶碳膜和針頭之間設置一孔徑較大的不鏽鋼網用以去除噴射出來的納米纖維；
(3) 針頭上加15kV高壓，前驅體溶液在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶碳膜上； .
(4) 將噴射有前驅體的非晶碳膜在真空度小於l(T5Pa的真空腔(雷射脈衝鍍膜系統)內加熱，加熱溫度為340。C，加熱時間為0.5h，以14°C/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。
實施例7
一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，該方法步驟如下
(1) 將1.8gFeCl2和0.7g聚乙二醇(PEG，分子量為8000)溶於10ml去離子水中，磁力攪拌直至完全溶解即製得鐵二十面體納米顆粒前驅體PEG /Fe2+;
(2) 將步驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器中，用靜電紡絲的方法將醫用注射器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓相連接，在針尖正下方12cm處放置接地鋁箔作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶碳膜作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，因噴射出來的前軀體中會有部分納米纖維，所以在非晶碳膜和針頭之間設置一孔徑較大的不鏽鋼網用以去除噴射出來的納米纖維；
(3) 針頭上加16kV高壓，前驅體溶液在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶碳膜上；
(4) 將噴射有前驅體的非晶碳膜在真空度小於10—5Pa的真空腔(雷射脈衝鍍膜系統)內加熱，加熱溫度為31(TC，加熱時間為0.8h，以15'C/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。
權利要求
1、一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，其特徵在於，該方法步驟如下(1)將濃度為0.05～0.09g/mL的溫和還原劑和濃度為0.02～0.2g/mL的鐵鹽溶於去離子水中，攪拌直至完全溶解即製得鐵二十面體納米顆粒前驅體，所述鐵鹽為Fe(NO3)3或FeCl2，所述溫和還原劑為聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇；(2)將步驟(1)製備的前驅體吸入醫用注射器中，用靜電紡絲的方法將醫用注射器針頭與靜電紡絲裝置的正高壓相連接，在針尖正下方10～18cm處放置接地鋁箔作為陰極，在鋁箔上放置銅網，銅網上鋪設非晶薄膜作為接收片用以接收噴射出來的前軀體，在非晶薄膜和針頭之間設置一不鏽鋼網用以去除噴射出來的納米纖維；(3)針頭上加15～18kV的高壓，前驅體溶液在電場作用下經不鏽鋼網噴射到非晶薄膜上；(4)將噴射有前驅體的非晶薄膜在真空度小於10-5Pa的真空腔內加熱，加熱溫度為300～380℃，時間為0.5～0.8h，以10～20℃/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。
2、 根據權利要求1所述的一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，其特徵在 於，所述非晶薄膜為非晶碳膜或者非晶氧化矽膜。
3、 根據權利要求1所述的一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，其特徵在 於，所述聚乙烯吡咯垸酮分子量為13000。
4、 根據權利要求1所述的一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法，其特徵在 於，所述聚乙二醇分子量為8000。
全文摘要
本發明公開了屬於納米材料製備技術領域的一種鐵二十面體納米顆粒的製備方法。本發明用靜電紡絲的方法在噴頭加上高壓後，將高分子溫和還原劑和鐵鹽的混合溶液噴射到非晶薄膜的基底上，所述鐵鹽為Fe(NO3)3或FeCl2，所述溫和還原劑為聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇，將噴射有混合溶液的薄膜在真空腔內300～380℃加熱0.5～0.8h後，以10～20℃/min的速度冷卻到室溫，即製得鐵二十面體納米顆粒。本發明提供了一種操作簡便、重複性好的製備鐵二十面體納米顆粒的方法，不需要複雜設備，鐵二十面體納米顆粒的產率在90％以上，本發明製備的鐵二十面體納米顆粒在催化等領域具有良好的應用前景。
文檔編號B22F9/16GK101596604SQ200910088168
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月3日 優先權日2009年7月3日
發明者濤 凌, 靜 朱 申請人:清華大學