CN101880040B

CN101880040B - 一步反应制备γ-Fe2O3纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法

Info

Publication number: CN101880040B
Application number: CN2010102079698A
Authority: CN
Inventors: 王欣; 郑伟涛; 王雅玉; 张馨木
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: CN101880040A

Abstract

本发明涉及一种一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法。具体地讲，本发明是利用烷烃气体(优选甲烷)、空气和氢气(流量比为80∶10∶20，单位为标准状态毫升每分)的等离子体化学气相沉积过程，在FeNi(Fe50％Ni50％，质量分数)催化剂薄膜存在的情况下，制备金属氧化物纳米线填充碳氮纳米管的方法。该发明所制备的产物取向性良好，产率较高；内部填充的单晶纳米线具有亚铁磁性，外层多壁管状结构具有氮掺杂所特有的“竹节状”构型。本发明的方法简单、一步完成，容易控制，便于工业化生产，制备出来的磁性纳米材料在生物医药、场发生器件、催化材料等领域具有广阔的应用前景。

Description

一步反应制备γ-Fe2O3纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法

技术领域：

本发明涉及一种一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法，具体地讲，本发明是利用碳源气体、空气和氢气的等离子体化学气相沉积过程制备纳米线填充碳氮纳米管的方法。

背景技术：

自1993年首度报道碳纳米管填充现象以来，大量的理论计算和实验研究表明，在碳纳米管的量子内腔中，不仅填充物质自身的形态结构和理化性质与其宏观状态相比发生了变化，而且在一定程度上也对碳纳米管的性质产生了很大的影响。这些都引起了研究者的密切关注和浓厚兴趣，使得对碳纳米管填充及其应用的研究在世界范围内广泛开展起来。

近年来，磁性金属及其合金或氧化物填充的碳纳米管作为纳米磁性材料，在生物医学学科中是最具有应用前景的研究方向之一。具有生物医学功能性的纳米磁性材料已逐渐成为当今生物技术和生物医学研究不可或缺的重要手段。除了纳米级和亚微米级磁性微球所具有的超顺磁性和功能基特性外，纳米级磁性材料还具有如下优势：(1)尺寸小，扩散速度快，便于进出细胞及各种反应高效快速进行，且不易引起机体免疫反应；(2)比表面积大，偶联容量大；(3)悬浮稳定性高，不易沉降；(4)单位体积上具有更强的磁响应性。因而具有生物功能性的纳米磁性材料在体内外诊断治疗、检测分析、生物标记、固定化、生化分离等领域已经成为一个研究热点，得到了快速发展。

具体说来，纳米磁性材料在生物医学领域的应用方式主要有：(1)纳米磁性材料的粒径具有可控性，从几个到几十个纳米不等，在尺寸上可小于或等于细胞、病毒、蛋白质或基因大小，这表明它们能够轻易靠近某些特定的生物实体，从而对之标记或施力；(2)纳米粒子具有磁性，能被外磁场所操作。这种“隔距施力”的行为加上磁场本身所具有的穿透力，使人们可以对纳米磁性材料或磁标记生物的实体进行固定或转运。在生物医学上可以对基因、药物或放射性核素进行靶向运输，在生物技术上则可以实施磁力介导的分离纯化和检测分析；(3)由于存在涡电流效应、磁滞效应、磁后相应、畴壁共振、自然共振等因素的影响，纳米磁性材料能对外加交变磁场产生共振，从而引起粒子温度升高，利用纳米磁性材料的磁热效应可用于杀死肿瘤组织，或者将其作为化疗增强剂用于辅助治疗。

如上所述，纳米磁性材料具有众多优异的性能，使其在各个领域的应用都备受瞩目。具体说来，磁性碳纳米管的制备可以通过碳纳米管的填充技术实现，与此同时，碳纳米管的本身的利用价值也成为研发的焦点。碳纳米管可以表现出金属性，也可以表现出半导体性。理论和实验研究指出，碳纳米管的电学性质与组成、螺旋性和直径有关。由于目前合成技术的制约，碳纳米管的螺旋性和直径无法控制，因此碳纳米管在用于制备特定电学和力学性能的材料研究方面存在很大困难。掺杂类碳纳米管的优越性在于它们的电学性能主要取决于组成，便于控制。理论研究预测在碳的石墨状结构中掺杂氮原子不但导电性能得到增强，表现出金属性与直径和螺旋性无关的特性，而且力学性能也会因为掺杂得到显著提高，使其用作增强的纳米纤维。实验研究已经证实：掺氮纳米管的隧道电导率普遍高于多壁纯碳纳米管，碳氮纳米管电子传输性能比多壁碳纳米管优越。对定向生长的碳氮纳米管的场发射研究表明，碳氮纳米管在用作场发射器件方面比碳纳米管具有更优越的性能。

由此可见，磁性纳米线填充的碳基(如碳氮)纳米管具有优异的磁学、力学及电学等性能，将会在更为广阔的领域发挥重要作用，而磁性纳米线填充的碳氮纳米管的制备方式及产品优化也将成为该技术领域的核心问题。

迄今为止，碳基纳米管的填充方法主要有固相熔融法、液相湿化学法、电弧放电法、催化热解法等，这些方法是在碳基纳米管的传统制备方法的基础上发展而来的。根据填充机制的不同，现有的这些填充方法可以分为毛细管作用填充方法和原位填充方法两大类。毛细管作用填充方法是利用碳基纳米管中空内腔的毛细管作用，使外来物质填充进入碳纳米管的方法；而原位填充方法则指碳基纳米管的填充过程和生长过程同步进行，即直接制备碳基纳米管包覆外来物质的复合材料，因此不需要碳基纳米管的开口阶段，这一类方法中最典型的是电弧放电方法。

对于毛细管作用填充法而言，实际制备的碳基纳米管往往具有一定的直径分布，由于毛细管作用的选择性(即特定的物质只能选择性地进入特定尺寸的毛细管中)，某种特定的填充物质只能选择性地进入特定直径分布范围内的碳基纳米管中，加之氧化开口过程会对碳基纳米管的结构造成不可逆的损害，从而使得用两步方法填充碳基纳米管难以得到满意的填充效果。鉴于此，人们又探索了在碳基纳米管生长的同时，使外来物质填充到碳基纳米管内部的方法，即碳纳米管的原位填充方法。在此情况下填充碳基纳米管的生长由金属催化剂驱动，在生长过程中大量的金属原子团簇与碳微簇以液相或气相形式不断堆加到生长中的碳基纳米管上，使其生长不断延续并最终形成填充有金属的碳基纳米管。到目前为止，人们对碳纳米管的原位填充机理尚不甚明了，但原位填充方法已经成为大量、高效制备填充碳基纳米管最有效的途径之一。

在电弧放电时，电弧产生和消失的区域在电极表面上是动态的，这使得电极表面温度分布范围很宽。因此得到的碳基纳米管直径分布较大，产物种类分布也较广，往往伴生大量的无定形碳、碳包覆颗粒等，受此所限，使用电弧放电方法较难获得满意的填充效果和产量。

发明内容：

鉴于磁性物质填充碳基纳米管的上述应用前景、掺氮碳纳米管对原有碳纳米管性能的优化，以及目前制备手段所存在的不足，本发明提出了一种一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法。与传统的电弧放电方法相比，该方法的突出优点是前驱体来源广泛(如烃类、含碳金属有机物等)，所需氮源来自于空气而不是含氮化合物(通常具有毒性及易燃易爆特性)，产品的纯度和收率较高，操作简便易行，可望用于填充纳米管的规模化和阵列化制备；同时与碳纳米管相比，本发明所制备的碳氮纳米管具有更高的取向性和更加优异的电学、磁学性能，核心磁性物质的结晶性良好，外层包覆管具有碳氮纳米管的“竹节状”特征结构；本发明的更为新颖之处在于，在Fe-Ni催化剂含量(质量分数)相等的条件下，本发明制备出了单一金属氧化物(γ-Fe₂O₃)纳米线填充的碳氮纳米管阵列。综合以上观点，我们有理由认为本发明的制备方法有更为广泛的应用前景和实用价值。

一步法制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的具体步骤如下：

1)在常用衬底上担载厚度为8～10nm的FeNi(Fe50％Ni50％，质量分数)催化剂薄膜；

2)将催化剂薄膜放入反应室中，抽真空值10Pa以下后，通气体升温至反应温度(热刻蚀过程)；

3)当达预定反应温度后，在催化剂存在的条件下，通入碳源气体、空气和氢气，控制反应温度和压强，进行化学气相沉积；

4)反应结束后，通保护气体冷却至室温。

步骤1)中的衬底主要是指在硅、二氧化硅等常用衬底上沉积一定厚度的Ti薄膜后形成的基底。所述铁镍催化剂薄膜优选磁控溅射PVD方式制备，即主要是通过磁控溅射物理气相沉积技术，溅射气体优选氩气。

步骤2)中所述的气体是指空气和氢气的混合气体，其流量比为空气(Air)∶氢气(H2)＝10∶20，流量单位为标准状态毫升每分(sccm)，总压强为200Pa；反应温度在600℃以上，优选800℃。

步骤2)的热刻蚀过程，目的是使催化剂薄膜分裂收缩成岛状，继而再形成纳米级的催化剂颗粒，以利于生长高质量的碳基纳米管。

步骤3)中三种反应气体的流量配比为：碳源气体/空气/氢气＝80/10/20，单位为sccm(standard cubic centimeter per minute，标准状态毫升每分)；碳源气体主要指烃类气体，优选甲烷。

步骤3)的反应压强在900-1300Pa之间，优选1300Pa；化学气相沉积的方式优选射频等离子增强化学气相沉积。

本发明中，步骤3)的等离子体溅射时间为5分钟，沉积体系的射频电源频率为13.56MHz，射频功率为200W。

本发明中，步骤4)的保护气体主要指氢气，反应结束后，停止通甲烷和空气，继续通入氢气，流量为20sccm，压强为200Pa。

一步法制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管，其特点是，填充物质通过透射电镜(TEM)观察，具有明显的晶格条纹，且为单晶体，通过超导量子干涉仪(SQUID)测试具有亚铁磁性，通过X射线光电子能谱(XPS)分析，Fe的2p能级谱线与Fe₂O₃的电子结合能相对应，而由于α-Fe₂O₃只具有弱磁性，因此确定黑色填充物质为γ-Fe₂O₃纳米线；所得填充物的包覆外壳具有碳氮纳米管特有的“竹节状”构型，存在明显的晶格条纹，通过拉曼(Raman)光谱分析，具有与石墨碳相似的D带、G带及D’带特征峰存在；产物通过扫面电镜(SEM)观察，碳氮纳米管的取向性良好，没有发生大幅度的弯曲或螺旋，且产率较高。

附图说明：

图1是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的SEM图像。

图2是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的更高倍数放大的SEM图像。

图3是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的TEM图像。

图4是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的单根金属氧化物填充碳氮纳米管的TEM图像。可以看到明显的“竹节状”构型。

图5是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的单根金属氧化物填充碳氮纳米管的TEM图像。可以看到黑色金属氧化物填充的长度在300nm以上，直径在10nm左右，属于纳米线结构。

图6是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的单根金属氧化物填充碳纳米管的TEM图像。

图7是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的局部TEM图像。可以从图中看出碳氮纳米管中存在明显的锥形结构，该结构的形成与五元环的引入有关，而五元环的形成与氮原子的存在密切相关。

图8是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的局部TEM图像。从图中碳氮纳米管的半圆形帽子封闭端的缺陷结构。

图9是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的局部TEM图像。箭头上标注值是不同位置处填充物的径长。

图10是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的局部TEM图像。从图中可以看到某些碳氮纳米管存在晶格缺陷及无序结构。

图11是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管中Fe2s能级的X射线光电子能谱(XPS)图谱。

图12是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管中O1s能级的XPS能谱图。

图13是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管中C1s能级的XPS能谱图。

图14是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管中N1s能级的XPS能谱图。

图15是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管中Ni1s能级的XPS能谱图。

图16是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的Raman光谱图。

图17是实施实例中γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管的磁矩-磁场曲线图。图中有磁滞回线存在，说明产物具有磁性。

具体实施方式：

实施实例：

制备γ-Fe₂O₃碳氮纳米管的实验条件及参数如下：

1)在衬底上沉积厚度为8～10nm厚的FeNi(Fe50％Ni50％，质量分数)催化剂薄膜：选用Si(111)作为衬底，通过对靶磁控溅射PVD设备(本发明中选用的是JGP450A多靶磁控溅射PVD设备)进行催化剂薄膜的物理气相沉积。具体参数如下：Ti靶的溅射电流为0.2A，溅射电压为230V，溅射气体为氩气，流量为30sccm，气体压强0.6Pa，衬底偏压-100V，沉积时间为220s；FeNi(Fe50％，Ni50％，质量分数)合金靶的励磁电流为2.2A，励磁电压为17.5V，溅射电流为0.4A，溅射电压为300V，溅射气体为氩气，流量为80sccm，气体压强为1.8Pa，衬底偏压-100V，沉积时间为20s。

2)将催化剂放入反应室中，使用等离子体增强化学气相沉积设备(本发明中选用JGP300A高真空单靶镀膜装置)进行样品制备。首先抽真空至10Pa以下，通入空气和氢气(空气∶氢气＝10∶20，单位为sccm)，控制气体总压强在200Pa，升温至800℃；

3)达到反应温度后，通入甲烷(CH₄)、空气(Air)和氢气(H₂)，其中CH₄为80sccm，Air为10sccm，H₂为20sccm，反应气体总压强控制在1300Pa；

4)打开射频电源，沉积系统射频电源频率为13.56MHz，溅射功率为200W，溅射时间设定为5min，进行等离子体化学气相沉积；

5)反应结束后，停止通甲烷和空气，继续通入氢气，流量为20sccm，压强为200Pa，冷却至室温。

根据上述发明所举的方法，可以制备出γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮纳米管，其特征如下：

1)对所制备的样品进行扫描电镜(SEM)图像分析，可以看到碳氮纳米管产率较高，且管的取向性良好，同时可以看出，大部分的碳氮纳米管均垂直于基片竖直生长，没有发生螺旋或大幅度弯曲。

2)对制备的样品进行透射电镜(TEM)图像分析，可以看出碳氮纳米管呈竹节状构型，黑色填充物的填充量较大。从TEM图确定无定形碳的含量很低，外层的管状包覆结构完整，而且有序度较高。

3)对样品进行高分辨率透射电镜分析(HR-TEM)，可以清楚的看到，黑色内层填充物质具有明显的晶格条纹，且为单晶体。内径在10nm左右，符合金属氧化物纳米线的标准。

4)对上图中的红色正方形虚线区域进行了FFT(快速傅里叶变换)，得到的晶面间距倒数值为2.91nm^-1，即晶面间距为0.339nm，稍大于石墨碳的(d₀₀₂＝0.335nm)晶面间距值，同时从TEM图片中可以看出，外层包覆管的锥形端口区域存在较多的堆垛层错、乱层等缺陷结构，可以推测氮原子取代了空位边缘处的碳原子或者取代了少量的碳原子成为石墨状构型的一部分，从而形成了五边形结构，产生了图中所示的“竹节状”碳氮纳米管的特殊构型；另一方面，由于本发明中空气与甲烷的比为1∶8，因此氮原子的含量相对于碳原子而言比较低，与此同时，由于氮原子比碳原子在催化剂颗粒内部扩散的速率更高，因此可以推测氮的掺杂改变了碳纳米管的结构，但氮的含量相对较低。

5)为了进一步确定填充物质的成分，我们对样品进行了X射线光电子能谱分析(XPS)，测试结果表明，Fe元素的结合能与Fe₂O₃的2P_3/2的结合能(710.9eV)一致，另一个峰位的结合能与Fe₂O₃的2P_1/2的结合能(724.00eV)相吻合，由此推断黑色填充物质为Fe₂O₃；同时对O的1s能级进行了XPS光谱分析，其529.7eV的结合能对应于Fe₂O₃中氧元素的1s电子结合能，由此可见，Fe₂O₃确实存在于碳氮纳米管中。

C元素的XPS能普图与石墨碳的结合能(284.6eV)相对应，由此进一步确定了外层包覆管主要为石墨碳成分；而氮元素的XPS能谱峰相对较弱，几乎不能出现强的峰位，这可能与XPS能谱仪只能获得0-10nm的元素信息有关，也可能是上述所分析的氮含量相对较低所造成的，但是由于TEM图片中石墨碳晶格缺陷以及“竹节状”构型的存在，可以推测氮元素存在于碳纳米管中。

对Ni元素进行了XPS分析，图谱中并没有得到明显的峰位，这可能是由于Fe与Ni元素相比，对碳原子的溶解度更大，因此更容易形成填充型的碳氮纳米管，这也是本发明的另一个独特之处，即在Fe-Ni催化剂含量相等的条件下，可以制备出单一金属氧化物填充的碳氮纳米管阵列。

6)对通过上述发明所用方法得到的样品进行拉曼光谱(Raman)分析得到：碳包裹纳米颗粒的拉曼光谱类同于单晶石墨的一级拉曼光谱，均有1580cm^-1附近的G谱峰和位于1350cm^-1附近的D谱峰。G峰是对称性和有序度都很高的碳材料所产生的特征峰，主要用于表征碳材料的对称性和有序度；位于1350cm^-1附近的D谱峰被解释为石墨中小尺寸结晶晶畴引起的波矢驰豫效应，样品的拉曼光谱在G峰旁边的1615cm^-1处存在肩峰D’，而D’峰与D峰均被认为是由于晶粒尺寸效应和晶格形变造成的，它代表了晶格的振动频率，对于非晶碳，由于没有具体的结构，振动频率是弥散的，所以不会有D’的出现，因此说明产物的结晶度较高；同时，I_D/I_G值为0.87，也说明产物的结晶度较高，该结果与TEM分析结果相一致。

有文献报道，碳氮纳米管中氮的含量越低，管的石墨化程度和线性度越高；反之，氮含量增加，管结构的完整性降低。该结果与上述的透射电镜、拉曼光谱分析结果相一致，由于存在竹节状构型的管结构，因此证实有氮元素的存在；同时拉曼光谱中的I_D/I_G比值较低，说明产物中的石墨碳具有较好的结构完整性，因此推测氮含量相对石墨碳而言很低；另一方面，拉曼光谱中的D带和G带发生了蓝移(峰位向高波数移动)，说明碳纳米管有序程度有所降低，由此我们认为，氮元素分布在石墨碳的缺陷位置，但含量相对较低，而氮元素的存在，导致了五边形结构的出现，从而得到了TEM图片中所见的竹节状构型。上述分析结果与XPS能谱图的分析结果相一致。

7)为确定核心填充物质是否具有磁性，对产物进行了超导量子干涉(SQUID)分析，在外加磁场作用下，产物的磁性分析曲线中有磁滞回线存在，说明产物存在磁性，该结果与上述的TEM及XPS分析结果相对应，进一步证实了金属氧化物填充碳氮纳米管的真实性。由于样品的衬底存在噪音且具有抗磁性，因此对样品的饱和磁化强度值产生了一定的影响，初步估算产物的饱和磁化强度在20emu/g以上。有文献报道，当体相的磁性物质尺寸减小到纳米量级时，其饱和磁化强度会降低，即饱和磁化强度随着结晶尺寸的减小而降低，这一结果与测量到的纳米晶饱和磁化强度小于体相磁赤铁矿(γ-Fe₂O₃)的饱和磁化强度值(60-80emu/g)的结果相吻合，而α-Fe₂O₃只具有弱磁性，饱和磁化强度值～0.3emu/g，与实验结果不符，结合XPS能谱分析数据，可以确定黑色填充物质为具有亚铁磁性的γ-Fe₂O₃纳米线。

Claims

1.一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法，其特征在于，该发明包括如下步骤：

1)在常用衬底上担载8～10nm厚的按质量分数计为Fe50％、Ni50％的催化剂薄膜；

2)将催化剂薄膜放入反应室中，抽真空值10Pa以下后，通气体升温至反应温度；

3)当达到预定反应温度后，在催化剂存在的条件下，通入碳源气体、空气和氢气，控制反应温度和压强，进行化学气相沉积；

4)反应结束后，通保护气体冷却至室温；

步骤1)中所述常用衬底主要指硅、二氧化硅；

步骤2)中所述气体是指空气和氢气的混合气体，其流量比为空气Air∶氢气H₂＝10∶20，流量单位为标准状态毫升每分sccm，总压强为200Pa；所述反应温度在600℃以上；

步骤3)中所述碳源气体优选甲烷，且碳源气体∶空气∶氢气＝80∶10∶20，单位为标准状态毫升每分sccm；气体的总压强优选900-1300Pa之间。

2.根据权利要求1所述的一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法，其特征在于，步骤1)中的铁镍催化剂薄膜优选磁控溅射PVD方式制备，溅射气体优选Ar。

3.根据权利要求1所述的一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法，其特征在于，步骤2)中所述反应温度优选800℃。

4.根据权利要求1所述的一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法，其特征在于，步骤3)中气体的总压强优选1300Pa。

5.根据权利要求1所述的一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法，其特征在于，所述步骤3)的化学气相沉积过程优选射频等离子体化学气相沉积，沉积时间为5min，沉积体系的射频电源频率为13.56MHz，射频功率为200W。

6.根据权利要求1所述的一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法，其特征在于，所述步骤4)中保护气体优选氢气，反应结束后，停止通甲烷和空气，继续通入氢气，流量为20sccm，压强为200Pa。

7.根据权利要求1或2所述的一步反应制备γ-Fe₂O₃纳米线填充碳氮多壁纳米管的方法，其特征在于，所述的催化剂薄膜制备具体参数：Ti靶的溅射电流为0.2A，溅射电压为230V，溅射气体为氩气，流量为30sccm，气体压强0.6Pa，衬底偏压-100V，沉积时间为220s；按质量分数计Fe50％Ni50％的合金靶的励磁电流为2.2A，励磁电压为17.5V，溅射电流为0.4A，溅射电压为300V，溅射气体为氩气，流量为80sccm，气体压强为1.8Pa，衬底偏压-100V，沉积时间为20s。