JP6427062B2 - コア−シェル−コアナノ粒子系、コア−シェル−コアＦｅＣｏ／ＳｉＯ２／ＭｎＢｉナノ粒子系を調製する方法、およびＭｎＢｉナノ粒子とのＦｅＣｏ／ＳｉＯ２ナノ粒子のコア−シェル−コアナノ凝集体 - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、中間シリカシェルおよび全体に分散されたマンガンビスマス合金ナノ粒子とともに鉄コバルト合金コアを有するナノ粒子の磁性ナノ凝集体に関する。これらのナノ粒子は、軟磁性ＭｎＢｉを組合わせ、標準的なネオジム鉄ホウ酸永久磁石材料の代替として、希土類元素を含有しない永久磁石の調製に好適なナノ粒子材料を提供する。

背景の考察
発明者らは、湿式化学合成プロセスから得られるナノ粒子材料を用いて得られる軟磁性および硬磁性材料の両方を調査する研究プログラムを実施している。このように、２０１３年９月１２日に出願された特許文献１は、硬磁性材料の源として、粒子径が５〜２００ｎｍであるＭｎＢｉナノ粒子を開示する。加えて、２０１４年４月１４日に出願された特許文献２は、軟磁性材料の源として、シリカシェルおよび金属ケイ酸塩界面を有する、２００ｎｍ未満の鉄コバルトナノ粒子コアを有するコア−シェルナノ粒子を開示する。両方の出願の開示はここにその全体が引用により援用される。

磁性材料は一般的に、永久的に磁化され得る硬磁性物質、または低い印加される場で磁性が反転することがある軟磁性材料として指定される２つのクラスに分類される。軟磁性材料においては、通常は「磁心損失」と称されるエネルギ損失が最小限に保たれることが重要である一方で、硬磁性材料においては、磁性の変化に対して耐性を有することが好ましい。したがって、高い磁心損失は永久磁性材料の特性であり、軟磁性材料においては望ましくない。

今日の進化している技術の多くは、デバイス構造の基本構成要素として、効率的かつ強力な硬磁石を要件とする。そのようなデバイスは、携帯電話から高性能電気モータの範囲に及び、現在の要件を満たすだけでなく、効率的で、より安価で、かつ容易に生産される硬磁石材料に対するますます高まりつつある要求も満たす材料を見出すための大規模な取組みが業界を通して進んでいる。

米国出願第１４／０２５，０３３号 米国出願第１４／２５２，０３６号

従来、最も強力で最も性能のよい利用可能な硬磁石材料の１つとしてネオジム鉄ホウ酸が一般的に認識されている。しかしながら、この材料は希土類元素であるネオジム系であるため高価であり、利用可能な供給が安定しないことがしばしばである。したがって、硬磁石としてネオジム鉄ホウ酸と同等またはそれ以上に機能するが、容易に利用可能でより安価な成分材料系の材料に対する必要性が存在する。

磁気デバイスの部品は、粉末を規定された形状に成形し、次に成形体を２００℃以上の温度で焼結することによって粉末から構築される。粒子同士の間の結合およびしたがって強度を与えることによって部品の良好な機械的性質を達成するのに、成形に引続く部品の焼結が必要である。

通信および発電の分野のすべての局面での技術的進歩は、経済的かつ容易に入手可能な、誂えられた磁性部品の生産を可能にする制御可能なまたは適合可能な磁性を有するますます強力な磁性粉末を要件とする。

このように、本発明の目的は、永久磁石部品を生産するために高い保磁力を有する硬磁性粉末を提供することである。粉末は、従来の永久磁石材料と比較して経済的でなくてはならず、容易に入手可能でなくてはならない。

発明の要約
これらおよび他の目的は本発明に従って達成され、その第１の実施形態はコア−シェル−コアナノ粒子を含み、コア−シェル−コアナノ粒子は、鉄コバルト合金を備える超常磁性コアと、超常磁性コアを被覆する二酸化ケイ素の中間シェルと、中間二酸化ケイ素シェル上のマンガンビスマス合金の別のナノ粒子コアと、超常磁性コアと二酸化ケイ素シェルとの間の金属ケイ酸塩界面層とを備え、超常磁性コアの直径は２００ｎｍ未満である。

１つの実施形態では、ＭｎＢｉ合金コアの直径は０．５〜２００ｎｍであってもよい。
上記実施形態のいずれかの局面では、金属ケイ酸塩界面の厚みは０．５〜１０ｎｍであってもよく、厚みは、二酸化ケイ素シェルを調製する湿式合成の時間の長さによって制御されてもよい。

以上の段落は一般的な導入のために与えられており、以下の請求項の範囲を限定することを意図しない。現在好ましい実施形態は、さらなる利点とともに、添付の図面と関連した以下の詳細な説明を参照することによって最良に理解される。

実験例で調製されるコア−シェル−コアナノ粒子のＴＥＭ画像の図である。 実験例で調製されるコア−シェル−コアナノ粒子についてのＤＳＣおよびＭ（Ｔ）データのスキャンを示す図である。 実験例で調製されるコア−シェル−コアナノ粒子のＺコントラストＴＥＭ画像の図である。

発明の詳細な説明
この記載を通じて、記載されるすべての範囲は、他に示されなければ、そのすべての範囲およびその部分範囲を含む。

加えて、不定冠詞「ａ」または「an」は、他に示されなければ、記載を通じて「１つ以上」の意味を持つ。

磁性材料および特にナノ粒子磁性材料の進行中の研究において、本発明者は、永久磁石の製造用のネオジム鉄ホウ酸の代わりに、潜在的な有用性を有する材料として、ナノ粒子形態のマンガンビスマス合金を同定した。ＭｎＢｉナノ粒子は、４Ｔ程度の高い保磁力を発現することが予測された。２０１３年９月１２日に出願された特許文献１に開示される発明がその仕事のいくつかの結果を開示する。

発明者らは、２０１４年４月１４日に出願された特許文献２に開示されるものなどの、軟磁性ナノ粒子材料を用いた進行中の研究も行なっており、ここでは、シリカシェルおよび金属ケイ酸塩界面を有する、２００ｎｍ未満の鉄コバルトナノ粒子コアを有するコア−シェルナノ粒子が開示されている。

これらおよび他の系の進行中の研究で、発明者らは驚くべきことに、マンガンビスマスナノコーティングをＦｅＣｏ合金コアシリカコーティングコア−シェルナノ粒子に塗布することによって得られるコア−シェル−コアナノ粒子が、コア−シェル−シェル構成要素の各々の相対的な大きさおよび性質に従って高度に適合可能な磁性を有する材料を提供することを発見した。１つのナノ粒子内の軟磁性および硬磁性成分のそのような複雑な組合せは新規であり、新たな磁性材料およびデバイスの発見および開発の多くの機会を与える。

第１の実施形態では、本発明は、コア−シェル−コアナノ粒子を含み、コア−シェル−コアナノ粒子は、
鉄コバルト合金を備える超常磁性コアと、
超常磁性コアを被覆する二酸化ケイ素の中間シェルと、
中間二酸化ケイ素シェル上のＭｎＢｉナノ粒子の球形のナノスケール性に基づきコアとも称される、外側マンガンビスマス合金ナノ粒子と、
超常磁性コアと二酸化ケイ素シェルとの間の金属ケイ酸塩界面層とを備え、
超常磁性コアの直径は２００ｎｍ未満である。

発明者らは、さまざまな厚みのシリカシェルで被覆された個々のＦｅＣｏ合金ナノ粒子の形成を、拡張性のある湿式化学的プロセスを介して達成し得ることを発見した。驚くべきことに、発明者らは、界面金属ケイ酸塩の形成がこれらの超高表面積ＦｅＣｏ合金ナノ粒子系におけるナノ磁性を大きく変えることがあることを発見した。金属ケイ酸塩の界面層が形成されたという証拠は、ＦｅおよびＣｏの２ｐ遷移にわたって集められたＸ線光電子スペクトルにおいて観察された。（シリカ反応の持続時間を変更することによって）シリカシェルの厚みが増すにつれてより厚い界面金属ケイ酸塩層が形成され、上昇したブロッキング温度および変更された保磁力によって証明されるように、ナノ粒子の全体的な磁気異方性を増大させた。このように、発明者らは驚くべきことに、湿式合成処理時間の度合いを異ならせてシリカシェル中に封入される超常磁性鉄コバルト合金ナノ粒子を作製することによって、異なるナノ磁性を有するコアシェルＦｅＣｏナノ粒子が得られることがあることを発見した。ある実施形態では、鉄コバルト合金ナノ粒子コアの直径は１００ｎｍ未満であり、さらなる実施形態では、鉄コバルト合金ナノ粒子コアの直径は２ｎｍ〜５０ｎｍである。

発明に従うと、鉄コバルト合金ナノ粒子の粒は、鉄コバルト合金の単一の粒子磁区の大きさであるかまたはそれに近づいており、したがって超常磁性である。理論に拘束されないが、発明者らは、粒径をほぼ粒子磁区の大きさに制御することが、本発明に従う磁心の低減された履歴現象に寄与する要因であると考えている。さらに、コア粒周りの絶縁シリカシェルの存在が、本発明に従う磁心の低い渦電流形成に寄与する要因である。

単一磁区粒子が超常磁性を呈する粒子径の範囲が粒子の化学的組成の上側境界特性を有することは従来から公知である。

発明者らは、二酸化ケイ素シェルの合成の間に、金属ケイ酸塩薄層界面が偶然に一致して形成されることを発見した。金属ケイ酸塩の界面層が形成されたという証拠は、ＦｅおよびＣｏの２ｐ遷移にわたって集められたＸ線光電子スペクトルにおいて観察された。（シリカ反応の持続時間を変更することによって）シリカシェルの厚みが増すにつれてより厚い界面金属ケイ酸塩層が形成され、上昇したブロッキング温度および変更された保磁力によって証明されるように、ナノ粒子の全体的な磁気異方性を増大させた。発明者らは、磁性を制御するこの界面金属ケイ酸塩層の効果の理解が、低損失変圧器鉄芯としての適用例でのこれらの材料の効果的な有用性についての重要な要素であることを認識した。

ＦｅＣｏ合金コアシェルナノ粒子の研究において、発明者らは、二酸化ケイ素シェルコーティング合成の際に形成される界面金属ケイ酸塩が、剥き出しのＦｅＣｏナノ粒子と比較して、ナノ粒子の「磁気的に活性の容積」を増大させるように働くＦｅおよびＣｏ系ケイ酸塩の組合せであるより高い異方性相としてのナノ粒子の全体的な磁気異方性を変更することを発見した。

二元合金ＦｅＣｏ単一磁区ナノ粒子試料を合成した（実施例を参照）。例外は、ＳｉＯ₂の反応時間の持続時間を変更したことであるが、これにより、異なる厚みのＳｉＯ₂シェルができた。すなわち、１分の反応時間で３ｎｍ厚のシェルが作製され、１０分の反応時間で４ｎｍ厚のシェルが作製され、２０分の反応時間で６ｎｍ厚のシェルが作製された。平均的なＦｅＣｏナノ粒子径およびＳｉＯ₂シェル厚みを測定し、すべての３つのコア／シェルナノ粒子試料（ＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂（３ｎｍ）、ＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂（４ｎｍ）、およびＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂（６ｎｍ））について、平均のＦｅＣｏコア径が４±１ｎｍであるとわかり、このことはナノ粒子コア合成における高度な再現性を示した。同様にシリカシェルの厚みを測定し、それぞれＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂（３ｎｍ）、ＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂（４ｎｍ）、およびＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂（６ｎｍ）の試料について、３±１ｎｍ、４±１ｎｍ、および６±１ｎｍであるとわかった。ＴＥＭ画像から、ＦｅＣｏコアがシリカシェルで完全に被覆されていると観察された。Ｘ線回折パターンの分析は、ＦｅおよびＣｏケイ酸塩の両者の存在を示した。しかしながら、相対的な比率は可変であると思われ、理論に拘束されることを望まないが、発明者らは、金属ケイ酸塩含有量が金属ケイ酸塩の形成の熱力学的エネルギに関係しているかもしれないと考えている。研究は、合成プロセスの際にＦｅ−およびＣｏ−ケイ酸塩がＦｅＣｏナノ粒子コアとＳｉＯ₂シェルとの間の界面に形成したと示した。しかしながら、異なるコア／シェルナノ粒子系のＦｅ⁰およびＣｏ⁰金属性ピークの相対的な積分面積は、Ｆｅ−ケイ酸塩がＣｏ−ケイ酸塩よりも優先的に形成されることがあることを示した。

水酸化ナトリウムおよび臭化テトラオクチルアンモニウムの溶液中で二塩化鉄および二塩化コバルトと水素化ホウ素ナトリウムとをエタノール反応させることによって、Ｆｅ−Ｃｏ／ＳｉＯ₂のナノ粒子を合成してもよい。得られたナノ粒子を、塩基触媒としてトリエチルアミンを用いて水エタノール混合物中でテトラエチルオルトシリケートで処理して、シリカシェルを形成してもよい。次に、これらの粒子を、水性エタノールでの濯ぎを用いて清浄してもよい。

示されるように、Ｆｅ−Ｃｏナノ粒子の処理の長さによって二酸化ケイ素コーティングの幅が決まり、対応して金属ケイ酸塩層の幅が決まる。処理時間が長くなるほど、コーティングの量もより大きくなり、金属ケイ酸塩層の幅がより大きくなる。

合成は、０．５〜２０ｎｍ、好ましくは０．８〜１０ｎｍ、および最も好ましくは１．０〜８ｎｍの金属ケイ酸塩層を調製するのに必要な時間の間行なってもよい。

マンガン−ビスマス合金コーティングは、ＦｅＣｏシリカコアシェルナノ粒子の存在下で、水素化物還元剤とともにＭｎ粉末を処理してボールミリングによって組合せることと、攪拌を継続しつつ長鎖カルボン酸塩のビスマス塩およびアルキルアミンの溶液をＭｎ−水素化物還元剤に加えることと、ビスマス塩溶液の添加が完了すると、攪拌を継続してコア−シェル−コアＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂／ＭｎＢｉナノ粒子を形成することとを備える方法によって形成されてもよい。

水素化物処理用のエーテル溶媒は、水素化物反応条件と両立する任意のエーテルであってもよい。好適なエーテル溶媒は、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、２−メチル−テトラヒドロフラン、ジエチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、１，４−ジオキサン、ジメトキシエタン、ジエチレングリコールジエチルエーテル、２−（２−メトキシエトキシ）エタノール、およびメチルｔｅｒｔ−ブチルエーテルを含む。ＴＨＦが好ましい溶媒であってもよい。

水素化物還元剤は、マンガンと反応してマンガン還元剤錯体を形成することができる任意の材料であってもよく、ＮａＨ、ＬｉＨ、ＣａＨ₂、ＬｉＡｌＨ₄、およびＬｉＢＨ₄を含んでもよい。ＬｉＢＨ₄が好ましい水素化物処理剤であってもよい。

マンガン水素化ホウ素リチウム還元剤錯体形成は、４時間まで１５０〜４００ｒｐｍでプラネタリーボールミル中でマンガン粉末と水素化物還元剤とをボールミリングすることによって達成されてもよい。得られる性質を適切に修正するため、この手順の変更を最適化してもよく、これは当業者には理解されるであろう。

加えて、得られるナノ粒子の条件および性質を修正するために、水素化物処理剤の量を変更してもよく、これを、Ｍｎに対する水素化物の等量比で１／１〜１００／１に異ならせてもよい。

ビスマスは任意のエーテル可溶性塩の形態で添加されてもよく、好ましくは長鎖カルボン酸の塩として添加される。好ましい実施形態では、ビスマスネオデカノエートとしてＢｉが添加される。Ｍｎに対するＢｉのモル比は０．８／１〜１．２／１に異なってもよい。好ましくは、Ｂｉ／Ｍｎの比は０．９／１〜１．１／１であり、最も好ましくはＢｉ／Ｍｎの比は１／１である。ビスマス化合物の添加時間は、ＭｎＢｉの大きさおよび性質を最適化しかつ修正するように変更してもよい。幅は０．５〜２００ｎｍ、好ましくは１．０〜１００ｎｍ、および最も好ましくは２〜２０ｎｍであってもよい。好ましくは、添加時間は１時間未満であり、好ましい実施形態では添加時間は約２０分である。

アルキルアミンは好ましくは、６〜１２個の炭素の炭素鎖を有する１級アミンであり、、オプションで反応に添加してもよい。

図２に示されるように、発明のコア−シェル−コアナノ粒子がアニールプロセスで熱処理されると、軟質相ＦｅＣｏおよび硬質相ＭｎＢｉの両方がそれぞれＦｅＣｏおよびＭｎＢｉの特徴的な温度でアニールする。

この発明を一般的に記載したが、本明細書中に例示のみの目的で与えられかつ他に示されなければ限定的であることを意図されないある具体例を参照することによって、一層の理解を得ることができる。

コア−シェル−コア鉄−コバルト／シリカ／マンガンビスマスナノ粒子
０．４８９ｇの水酸化ナトリウム、１２．８９２ｇの臭化テトラオクチルアンモニウム、１０．９２２ｇの塩化鉄（ＩＩ）四水和物、および１２．０４２ｇの塩化コバルト六水和物を２５０ｍＬのエタノールに溶解し、アルゴン下に置いた。次に４５０ｍＬのエタノールに溶解した１２．２５８ｇの水素化ホウ素ナトリウムの溶液を鉄コバルト混合物に添加した。水素化ホウ素の添加が完了すると、反応混合物を１００ｍＬの水で希釈した。次に、生成物であるＦｅＣｏナノ粒子を７０％水／３０％エタノールで洗浄した。

次に、ＦｅＣｏナノ粒子を６２５ｍＬの水および２ｍＬのトリエチルアミンの混合物中に懸濁した。次に３９０ｍＬのエタノール中０．５ｍＬのテトラエチルオルトシリケートの溶液をＦｅＣｏ懸濁液に添加し、得られた混合物を１５分間反応させて、シリカで被覆されたナノ粒子を得た。次に被覆されたナノ粒子をエタノールで洗浄した。

シリカで被覆されたＦｅＣｏナノ粒子（０．２７ｇ）を２００ｍＬのＴＨＦ中に懸濁した。０．１５２ｇのヘプチルシアニド、０．００８ｇの水素化ホウ素リチウム、および０．０１２ｇのＭｎ（ＬｉＢＨ₄）₂をＦｅＣｏナノ粒子懸濁液に添加した。次に１５ｍＬのＴＨＦ中０．０８２ｇのビスマスネオデカノエートの溶液を１滴ずつ攪拌懸濁液に添加した。最終的に生成物をＴＨＦで洗浄した。

調製されたコア−シェル−コアナノ粒子のＴＥＭ画像を図１に示す。
図３のＺコントラストＴＥＭ画像は、ＭｎＢｉ相がどのようにＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂のあちこちにアイランド状に分布しているかを示す。

図２は、両方のデータセットからの観察される性質が、ＦｅＣｏ軟磁性相およびＭｎＢｉ硬磁性相の区別される存在を示し、こうしてコア−シェル−コアナノ構造中の両者の存在を確認する、温度範囲にわたるＤＳＣおよびＭ（Ｔ）データを示す。

Claims (8)

1. コア−シェル−コアナノ粒子系であって、
   鉄コバルト合金を備える超常磁性コアと、
   前記超常磁性コアを被覆する二酸化ケイ素の中間シェルと、
   前記中間シェル上のマンガンビスマス合金の外側コアと、
   前記超常磁性コアと前記中間シェルとの間の金属ケイ酸塩界面層とを備え、
   前記超常磁性コアの直径は２００ｎｍ未満である、コア−シェル−コアナノ粒子系。
2. 前記外側コアの直径は０．５〜２００ｎｍである、請求項１に記載のコア−シェル−コアナノ粒子系。
3. 前記金属ケイ酸塩界面層の金属ケイ酸塩はケイ酸鉄およびケイ酸コバルトの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のコア−シェル−コアナノ粒子系。
4. 前記金属ケイ酸塩界面層の厚みは０．５ｎｍ〜２０ｎｍである、請求項１に記載のコア−シェル−コアナノ粒子系。
5. 前記超常磁性コアは鉄コバルト合金からなる、請求項１に記載のコア−シェル−コアナノ粒子系。
6. 前記超常磁性コアの直径は２〜５０ｎｍである、請求項１に記載のコア−シェル−コアナノ粒子系。
7. コア−シェル−コアＦｅＣｏ／ＳｉＯ₂／ＭｎＢｉナノ粒子系を調製する方法であって
   、
   共通の溶液から鉄イオンおよびコバルトイオンをともに還元することと、
   ＦｅＣｏ合金ナノ粒子を生成することと、
   前記ＦｅＣｏ合金ナノ粒子を還元混合物から単離することと、
   前記ＦｅＣｏ合金ナノ粒子上にシリカコーティングを形成してコア−シェルナノ粒子を得ることと、
   Ｍｎ−水素化物還元剤でのＢｉイオンの還元によりコア−シェルナノ粒子上にＭｎＢｉ合金ナノ粒子を形成して、前記シリカコーティングであるシェル上にＭｎＢｉ合金ナノ粒子を得ることとを備える、方法。
8. 鉄コバルト合金を備える超常磁性コアと、前記超常磁性コアを被覆する二酸化ケイ素の中間シェルと、からなるＦｅＣｏ／ＳｉＯ _２ ナノ粒子が凝集した凝集体であって、
   前記中間シェルの表面に付着したＭｎＢｉ合金ナノ粒子を備える、凝集体。