[發明專利]一種在空氣氣氛下制備石墨碳包裹金屬納米顆粒的方法

無效

• 申請號: 201010203920.5
• 申請日: 2010-06-20
• 公開（公告）號: CN101838808A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 王欣;鄭偉濤;王雅玉;張馨木
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C23C28/04
• 分類號: C23C28/04;C23C14/06;C23C14/34;C23C16/513;C23C16/26
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術領域：

本發明涉及在空氣氣氛下石墨碳包裹金屬納米顆粒的制備方法，更具體的說，本發明涉及在反應條件下引入空氣作為稀釋氣體，制備出雜質含量少，以石墨碳為包裹殼層的金屬納米膠囊材料。

背景技術：

納米材料作為21世紀的新型材料被越來越多的科研機構和制造廠家開發利用。納米量級的金屬粒子具有很高的比表面積，因此除惰性金屬以外，其它金屬粒子很容易在空氣中聚集、氧化甚至燃燒。這就要求納米級的金屬顆粒需要一個在空氣中可以穩定存在的包覆材料，以使其保持化學、熱學的穩定狀態。核-殼結構的納米材料可以將具有優良磁性性能的金屬或合金納米顆粒保護在聚合物、氧化硅、金、金屬氧化物或碳等外殼之中，使其磁學性能得以很好的利用，因此受到廣泛關注。碳殼材料的成本低、化學穩定性好、質輕、生物相容性佳，并可以通過氫氣或氧氣將其變薄或去除，或者根據不同的需要進行表面官能化，引入其它的納米粒子或多種配位體，成為納米金屬粒子包覆外殼的理想選材。

碳包裹磁性納米顆粒(CEMNPs)的應用覆蓋了磁數據存儲、靜電復印技術、磁共振成像、靶向藥物輸運、生物傳感器、磁熱療法等多個方面。目前比較成熟的CEMNP合成方法包括：碳弧技術、鎢弧技術、磁控管與離子束共濺射、射頻等離子技術、脈沖激光燒蝕法、爆轟技術、機械球磨法、共碳化、催化熱解法、熱等離子體法、激光輻照法、微波加熱法、噴霧熱解法、化學氣相沉積法、水熱反應法等。但是，目前所制備的碳殼層納米膠囊材料在結構上存在缺陷，樣品結構尺寸及成分控制較為困難，同時采用的反應條件均為惰性氣體氛圍，將反應氣氛局限在了不參與化學反應的Ar、He、N₂等氣體上，到目前為止，并沒有有關于在空氣氣氛中制備出包覆外殼高度石墨化、顆粒尺寸分布較窄、產物在襯底上均勻分布的金屬納米顆粒的報道。惰性氣體環境不但增加了產業化成本，也將設計思路限定在了簡單氣體組分(碳源氣體、還原氣體及稀釋氣體)的框架內，不利于展開非反應氣體對碳包裹金屬納米顆粒形成機制及形貌影響的更為深入的探索。

發明內容：

本發明的目的在于，從以上背景出發，提出一種新型的制備石墨碳包裹金屬顆粒的方法，利用化學氣相沉積作為手段，在碳源氣體、氫氣作為反應氣體的條件下，大膽地引入空氣，使反應條件由惰性氣氛轉變為空氣氣氛，從根本上轉變了傳統反應中避免空氣存在的思路，制備出結晶度較高、產率較大的碳包裹金屬納米顆粒，為CEMNPs的技術改良和產業應用提供了技術參考。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

一種在空氣氣氛下制備石墨碳包裹金屬納米顆粒的方法，是通過將已制備的金屬催化劑薄膜，在空氣氣氛下利用碳源氣體和氫氣之間的化學反應，制備出石墨碳包裹金屬納米顆粒，該方法主要包括以下步驟：

步驟A：利用物理氣相沉積，在襯底上沉積催化劑薄膜；

步驟B：對催化劑薄膜進行退火處理：將步驟A中制備的催化劑薄膜置于真空裝置中，在一種或幾種氣體氛圍下加熱至反應溫度，待溫度達到反應溫度后，保持步驟B中的參數不變，繼續通氣體保溫一段時間；

步驟C：在反應室中通入碳源氣體、空氣和氫氣，在金屬催化劑的作用下進行化學氣相沉積過程；

步驟D：反應結束后，停止通入碳源氣體和空氣，通保護氣體，冷卻至室溫。

在步驟A中，所使用的作為催化劑的金屬薄膜厚度為1～2nm，靶材至少一種選自Fe、Co或Ni過渡族金屬，濺射氣體優選氬氣，濺射的背底壓強應在10^-4Pa量級。

在步驟A中所述的沉積催化劑薄膜的襯底，選自包括SiO₂或Si等常用襯底材料。

在步驟B中，將沉積催化劑薄膜的襯底放入反應容器中，進行抽真空處理，使體系的背底壓強在10Pa以下，退火氣體優選空氣和氫氣，比例為Air/H₂＝10/20，單位為sccm，空氣和氫氣的總壓強優選100Pa以下，所述的反應溫度在600℃以上，加熱時間優選40min，保溫時間優選10min。

在步驟C的化學氣相沉積階段，優選射頻等離子體增強化學氣相沉積方式，在使用空氣作為反應氣氛的條件下，碳源氣體、空氣、氫氣的流量配比為80∶10∶20，單位為標準狀態毫升/分，調整反應氣壓，設定射頻功率及濺射時間，使在空氣氣氛下的反應原料充分離化、分解，轉變成活性基團，進而在金屬顆粒的催化作用下進行吸附、溶解、擴散、析出，最終形成碳包裹的金屬納米顆粒。

所述的碳源氣體選自烴類，優選氣體為甲烷。

所述的射頻功率優選200W，濺射時間優選5min，反應溫度優選800℃，反應壓強優選在800-1300Pa之間。