北京工業大學/布朗大學 Angew. Chem.: 火焰合成法大規模制備高磁能積Sm-Co納米磁體

【引言】

SmCo基納米永磁體因其超大矯頑力及高居里溫度在航空航天、新能源電動汽車以及風力發電等領域有重要應用。現有的物理法難以調控納米粒子的尺寸且只能獲得多晶顆粒。液相合成結合鈣熱還原法是一種制備稀土基永磁納米粒子的有效方式，但其必須經歷的高溫退火使納米粒子團聚長大，無法有效控制尺寸。同時化學合成的粒子趨于氧化、化學法無法實現大規模生產限制了該方法的應用。

【成果簡介】

有鑒于此，北京工業大學的馬振輝博士、岳明教授與布朗大學孫守恒教授合作，提出了一種新的火焰合成方法用于大規模制備高性能的Sm-Co粒子。該方法用Sm(NO₃)₃和Co(NO₃)₂水溶液為前驅體，通過超聲霧化得到均勻的納米液滴經氧氣輸送至燃燒器后與甲烷燃燒，最終分解成均勻的球形SmCo-O納米粒子。其主要創新點在于可以在每一個球形氧化物中實現Sm/Co的精準調控，解決了傳統化學法擴散不均勻的關鍵問題。因此，該氧化物經CaO包覆、鈣熱還原后得到的Sm-Co納米單晶粒子組分均勻、方形度好、磁能積高。此外，該方法操作簡便，適用于大規模合成，一次反應（2?h）可以得到4.2?g Sm-Co磁粉。相關成果以題為“A flame-reaction method leading to large-scale synthesis of high performance Sm_xCo_y?nanomagnets”發表在Angewandte Chemie International Edition上。

【圖文導讀】

圖1?SmCo-O粒子的表征

(a) 火焰合成的SmCo-O粒子TEM圖，說明粒徑分布均勻、尺寸為320 nm。

(b) SAED 圖，證明氧化物粒子為多晶結構。

(c) HRTEM 圖，表明合成的氧化包含SmCoO₃和Co₃O₄兩相納米晶。

(d) HADDF-STEM 和mapping圖，證明Sm和Co元素均勻分布在氧化物顆粒中。

圖2 SmCo₅?粒子的表征

(a) 氧化物在CaO殼層的保護下，鈣熱還原可得到4.2 g SmCo₅磁粉。

(b) TEM 圖表明SmCo₅?粒子尺寸為260 nm。

(c) HADDF-STEM和mapping圖證明SmCo₅粒子中Sm和Co元素分布均勻。

(d) SEAD圖表明合成的SmCo₅為標準的六方單晶結構。

(e) HRTEM 證明SmCo₅的 (100) 面被觀察到。

(f) -(g)晶格條紋圖可以清晰觀察到Sm和Co原子的六方陣列，可以很好地與標準六方SmCo₅結構相吻合。

圖3 SmCo₅?磁性能表征

(a) SmCo₅的室溫磁滯回線，黑色曲線為取向前磁粉的磁滯回線；紅色曲線為取向磁體的磁滯回線，證明獲得了高的各向異性SmCo₅磁體（剩磁比為0.94，矯頑力為41.8 kOe）。

(b) 取向SmCo₅納米磁體的BH~H 曲線，表明(BH)_max?= 19.6 MGOe，是目前化學法所達到的最高值。

圖4 Sm₂Co₁₇?的表征

(a)?Sm₂Co₁₇?的XRD圖，表明得到了菱方結構的Sm₂Co₁₇?納米粒子（通過改變SmCo-O中的Sm/Co，可以對合金粒子的相和成分進行調控）。

(b)?TEM圖表明其尺寸為210 nm。

(c) SEAD 圖表明合成的Sm₂Co₁₇為標準的菱方單晶結構。

(d) HRTEM 證明Sm₂Co₁₇的 (113)面被觀察到。

(e) 室溫磁滯回線表明經磁場取向后其矯頑力為15.6 kOe.

(f)?BH~H 曲線表明取向磁體的最大磁能積為15.8 MGOe。

【小結】

該研究采用火焰合成法大規模合成了Sm-Co納米單晶顆粒，可實現對Sm/Co成分的精準控制，從而得到高取向度、大磁能積的納米磁體，解決了傳統化學法擴散不均勻的關鍵問題，及無法規模化合成的重要問題。同時該工作的合成方法可以推廣到制備各種稀土基納米磁體，從而滿足永磁體不同條件下的應用。

【作者簡介】

馬振輝博士，于2016年7月在北京航空航天大學材料學院獲博士學位，師從蔣成保教授。2018年2月起在北京工業大學材料學院從事博士后工作，合作導師為岳明教授。2018年12月赴美國布朗大學（Brown University）化學系從事博士后研究工作，合作導師為孫守恒教授（Shouheng Sun）。近年來一直從事化學法合成高性能稀土基永磁材料的研究，目前共發表SCI論文14篇，總影響因子大于80，其中以第一作者發表SCI論文7篇，總影響因子接近50。

【文獻信息】

Zhenhui Ma, Hui Tian, Liying Cong, Qiong Wu, Ming Yue*, and Shouheng Sun*.?A flame-reaction method leading to large-scale synthesis of high performance Sm_xCo_y?nanomagnets. Angewandte Chemie International Edition, 2019.

DOI: 10.1002/anie.201907763

全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.201907763

本文由第一作者馬振輝博士供稿。

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