碳包覆過渡金屬基納米顆粒合成方面取得進展

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所液相激光加工與制備實驗室在碳包覆過渡金屬基納米顆粒合成方面取得進展，相關成果發表在ACS Applied Nano Materials (DOI: 10.1021/acsanm.8b01541)雜志上。

　　近年來，碳包覆納米材料因其獨特的物理與化學性質而倍受關注，例如表面易功能化、抗氧化、抗酸堿腐蝕、不容易團聚等，被廣泛應用于磁性數據存儲、電催化、生物工程等領域。因此，發展一種簡單有效、溫和可控的普適性方法制備尺寸均一的碳包覆過渡族金屬基納米材料具有重要意義。在有機溶劑中激光熔蝕金屬靶材已被證明是一種有效的合成碳包覆基納米材料的新方法，這是由于在激光熔蝕過程中，靶材表面形成的局域高溫高壓環境（> 1 GPa，> 5000 K）促進了碳包覆納米材料的形成。但是，影響碳包覆過渡金屬基納米材料“核”成分的因素以及激光熔蝕過程中碳層的演變過程仍然沒有探明。

丙酮中激光熔蝕金屬靶材后獲得的不同碳包覆金屬納米顆粒的合成示意

　　基于此，固體所液相激光加工與制備實驗室以丙酮為有機溶劑，選擇不同金屬（M=Cu,Ag，Au，Pd，Pt，Ti，V，Nb，Cr，Mo，W，Ni，Zr，Mn，Fe和Zn等）靶材，根據金屬與氧的親和力和碳在金屬中溶解度的不同，成功制備出了一系列碳包覆金屬單質（M@C）、碳包覆金屬碳化物（MCx@C）以及碳包覆金屬氧化物（MOy@C）（圖1）。

　　對于惰性金屬（M=Cu，Ag，Au，Pd，Pt等）而言，由于其與氧的親和力極低，且碳在這些金屬中的溶解度較低，所以最終形成物為碳包覆金屬單質（M@C）納米顆粒。而對于碳在其中溶解度較高，且形成的金屬-碳鍵能較高的金屬（M=Ti，V，Nb，Cr，Mo，W，Ni，Zr等），最終獲得的產物主要為碳包覆金屬碳化物（MCx@C）。其中，由于ZrO2相比ZrC具有更高的穩定性，對于Zr金屬而言，最終的產物中含有少量的ZrO2；對于Ni金屬而言，由于形成的亞穩相Ni3C易于分解生成單質Ni，因此其最終產物含有單質Ni。此外，對于Zn，Mn，Fe等金屬，由于其較低的碳溶解度以及易于與氧結合，最終會形成碳包覆金屬單質/金屬氧化物納米顆粒（M@C /MOy@C）。

　　此外，研究人員在研究激光熔蝕產物表面的碳層時發現，碳層的結晶度與熔蝕的金屬靶材有關，且熔蝕過程的二次輻照也會對碳層的結晶度產生重要影響。為了進一步研究碳層演變過程，研究人員選擇Pt金屬為研究對象，首先在水中熔蝕Pt靶材，獲得Pt納米顆粒，再重新分散到丙酮中進行輻照。由于Pt金屬在激光輻照下可以催化分解丙酮形成碳，經過15分鐘輻照之后，明顯發現顆粒表面形成碳層，增加輻照時間到一小時后，碳層亦變厚，且結晶度大大提高，說明金屬的催化作用對于碳層的形成也起著重要作用。相關工作為制備碳層包覆的金屬基材料以及理解其形成機理提供了重要參考。

　　該項工作得到科技部國家重點基礎研究發展計劃（“973”項目）、中科院裝備研制項目、國家自然科學基金、創新團隊國際合作計劃的資助。丙酮中激光熔蝕金屬靶材后獲得的不同碳包覆金屬納米顆粒的合成示意圖