Page 53 - 《精细化工)》2023年第10期
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第 10 期 张风帆,等: 磁性纳米片的制备及功能化应用研究进展 ·2131·
一步提高反应温度后,调控反应调控剂的比例后还 小。高搅拌速率可以增加纳米颗粒在溶液中的相对
可以得到立方体、内凹立方体、组装结构和多齿结 运动,避免颗粒之间的吸附和聚集,进而避免晶界
构的磁性纳米粒子。此外,反应温度变化加速纳米 的融合,抑制颗粒的生长 [49] 。
颗粒的生长过程,同时也影响反应调控剂的调控范 2.3 磁性调控
围。这些结果表明,反应调控剂在不同反应温度 磁性物理学认为,材料的磁性主要与原子核磁
以及溶剂下可能发挥的作用不同。这可能是由不同 矩、电子自旋磁矩和轨道电子运动产生的轨道磁矩
条件下,反应调控剂对不同晶面的选择性吸附以及 相关。由于原子磁矩的热运动是随机混乱的,当施
成核、生长的过程的差异所导致的。总之,改变反 加外磁场后,内部出现方向相同的磁化强度,也可
应条件可以实现对晶面生长的调控,更换其他的反 以理解为在外磁场作用下的取向行为,从而产生宏
应调控剂也可以制备出多种形状的纳米材料 [23,35] 。 观磁矩,表现为具有磁性。由于形状各向异性的影
特别是对于特殊的片状结构,往往需要表面活性 响,Fe 3 O 4 纳米颗粒的形状控制被认为是决定其磁性
剂等物质的加入与调控,才能实现片状形貌可控 能的一种手段 [21,73] 。磁性纳米颗粒的磁性能受多
制备。 种因素影响,包括尺寸、结构、表面无序性、形
2.2 厚度及粒径大小调控 貌等 [20] 。Fe 3 O 4 磁性纳米片由于尺寸和表面效应的
基于上述原理,通过添加反应调控剂等可以实 不同,具有和块状 Fe 3 O 4 不同的磁性能。相比而言,
现纳米颗粒形貌的调控。在特定的条件下,反应调 磁性纳米片的饱和磁化强度一般情况下要低于立方
控剂选择性吸附使(111)晶面被限制生长,因而可以 状等形状的磁性纳米粒子。这是因为,饱和磁化强
得到特殊的片状结构。与此同时,适当地调整原料 度既取决于颗粒的大小,又取决于颗粒的形态。有
种类及配比、反应温度等因素,可以实现对磁性纳 限尺寸效应主导着单个磁性纳米颗粒的磁性行为,
米片片层厚度、粒径大小的调控。 随着颗粒尺寸的减小,它们的相关性也在增加 [74] 。
反应调控剂的加入不仅可以改变 Fe 3 O 4 磁性纳 与此同时,其具有较高的矫顽力,这主要是由各向
米颗粒的形状,还可以实现磁性纳米片厚度的调控。 异性所导致的 [75-76] 。
研究表明,氧化铁纳米板的边缘长度和厚度可以通 随着研究的逐渐深入,研究人员尝试建立磁性
过反应调控剂的配比实现可重复的方式调节,并且 纳米片各向异性与磁性能之间的联系。ZHOU 等 [22]
可以大规模制备 [22] 。如 ZHAO 等 [26] 通过控制 FeSO 4 / 研究发现,磁性纳米片的磁性与尺寸有关,饱和磁
KMnO 4 物质的量比,可以控制合成纳米片的形貌。 化强度随着厚度的增加而增大。但不同方法制备的
随着 KMnO 4 物质的量从 0.25 mmol 增至 2.5 mmol, 磁性纳米片尺寸即使相似,其磁性也往往不同。这
纳米片厚度从 12 nm 减至<5 nm,边缘长度从 40 nm 可能是由不均匀的化学成分以及缺乏结晶度导致在
增至 70 nm,壳层厚度从<1 nm 增至 5 nm。MA 等 [59] 纳米片中发生自旋倾斜效应 [73,77-78] 。此外,其他离
将乙二醇(EG)作为另一种溶剂引入到反应中,在 子掺杂铁氧体可以增强其磁性能,如锌掺杂 Fe 3 O 4
V(EG) ∶ V(H 2 O)=1 ∶ 1 的条件下 合成厚度 为 纳米片的饱和磁化强度最高可达 119 A·m /kg,其饱
2
10~15 nm、边长为 150~200 nm 的六角形 Fe 3 O 4 纳米 和磁化强度与 Fe/Zn 和 Fe /Fe 的物质的量比成正
3+
2+
片。随着 EG 浓度的增加,Fe 3 O 4 纳米片的厚度减小, 比 [31] 。与之相反,磁性纳米片表面有包覆或者改性,
纳米片的形状变得更加不规则。 由于表面铁原子自旋倾斜以及片状取向对退磁场
由于温度是晶体的成核和生长速率关键因素之 (也称反磁场,对外加磁场有削弱作用)的影响使
一,除了影响磁性纳米片的厚度,也对其粒径大小 得饱和磁化强度有所降低 [20] 。
产生重要的影响。对于采用化学沉积法,磁性纳米
片大小和厚度主要取决于源温度(T s )和生长温度 3 磁性纳米片的功能化应用
(T g )。其厚度随着 T g 和 T s 的增大而减小,尺寸随
着 T g 和 T s 的增大而增大 [52] 。对于超声辅助法,超声 随着磁性纳米片制备方法的不断发展,研究人
员逐渐对磁性纳米片应用领域展开相关研究。独特
对磁铁矿晶体形貌的影响大于生长温度。随着反应介
质温度的升高,晶体的厚度和宽度逐渐增大 [46] 。随着 的结构和优异的特性使磁性纳米片在不同领域已经
反应温度的升高,磁性纳米片的横向尺寸分布增大, 成为重要的应用材料。特别是表面改性、掺杂赋予
这种尺寸大小演变符合经典生长理论“Ostwald 熟化 磁性纳米片新的功能化性质,不仅拓宽了应用范围,
机制”所描述的晶体生长规律。此外,搅拌速率也 而且显著提升了应用性能。本文将基于磁性纳米片
是磁性纳米片粒径大小的一个重要调控因素,磁性 在磁共振成像、微波吸收、催化剂、电池、吸附净
纳米片的横向尺寸分布随着搅拌速率的增加而减 化等应用领域近年来的应用研究工作展开介绍。