北京工业大学/布朗大学 Angew. Chem.: 火焰合成法大规模制备高磁能积Sm-Co纳米磁体

【引言】

SmCo基纳米永磁体因其超大矫顽力及高居里温度在航空航天、新能源电动汽车以及风力发电等领域有重要应用。现有的物理法难以调控纳米粒子的尺寸且只能获得多晶颗粒。液相合成结合钙热还原法是一种制备稀土基永磁纳米粒子的有效方式，但其必须经历的高温退火使纳米粒子团聚长大，无法有效控制尺寸。同时化学合成的粒子趋于氧化、化学法无法实现大规模生产限制了该方法的应用。

【成果简介】

有鉴于此，北京工业大学的马振辉博士、岳明教授与布朗大学孙守恒教授合作，提出了一种新的火焰合成方法用于大规模制备高性能的Sm-Co粒子。该方法用Sm(NO₃)₃和Co(NO₃)₂水溶液为前驱体，通过超声雾化得到均匀的纳米液滴经氧气输送至燃烧器后与甲烷燃烧，最终分解成均匀的球形SmCo-O纳米粒子。其主要创新点在于可以在每一个球形氧化物中实现Sm/Co的精准调控，解决了传统化学法扩散不均匀的关键问题。因此，该氧化物经CaO包覆、钙热还原后得到的Sm-Co纳米单晶粒子组分均匀、方形度好、磁能积高。此外，该方法操作简便，适用于大规模合成，一次反应（2 h）可以得到4.2 g Sm-Co磁粉。相关成果以题为“A flame-reaction method leading to large-scale synthesis of high performance Sm_xCo_y nanomagnets”发表在Angewandte Chemie International Edition上。

【图文导读】

图1 SmCo-O粒子的表征

(a) 火焰合成的SmCo-O粒子TEM图，说明粒径分布均匀、尺寸为320 nm。

(b) SAED 图，证明氧化物粒子为多晶结构。

(c) HRTEM 图，表明合成的氧化包含SmCoO₃和Co₃O₄两相纳米晶。

(d) HADDF-STEM 和mapping图，证明Sm和Co元素均匀分布在氧化物颗粒中。

图2 SmCo₅ 粒子的表征

(a) 氧化物在CaO壳层的保护下，钙热还原可得到4.2 g SmCo₅磁粉。

(b) TEM 图表明SmCo₅ 粒子尺寸为260 nm。

(c) HADDF-STEM和mapping图证明SmCo₅粒子中Sm和Co元素分布均匀。

(d) SEAD图表明合成的SmCo₅为标准的六方单晶结构。

(e) HRTEM 证明SmCo₅的 (100) 面被观察到。

(f) -(g)晶格条纹图可以清晰观察到Sm和Co原子的六方阵列，可以很好地与标准六方SmCo₅结构相吻合。

图3 SmCo₅ 磁性能表征

(a) SmCo₅的室温磁滞回线，黑色曲线为取向前磁粉的磁滞回线；红色曲线为取向磁体的磁滞回线，证明获得了高的各向异性SmCo₅磁体（剩磁比为0.94，矫顽力为41.8 kOe）。

(b) 取向SmCo₅纳米磁体的BH~H 曲线，表明(BH)_max = 19.6 MGOe，是目前化学法所达到的最高值。

图4 Sm₂Co₁₇ 的表征

(a) Sm₂Co₁₇ 的XRD图，表明得到了菱方结构的Sm₂Co₁₇ 纳米粒子（通过改变SmCo-O中的Sm/Co，可以对合金粒子的相和成分进行调控）。

(b) TEM图表明其尺寸为210 nm。

(c) SEAD 图表明合成的Sm₂Co₁₇为标准的菱方单晶结构。

(d) HRTEM 证明Sm₂Co₁₇的 (113)面被观察到。

(e) 室温磁滞回线表明经磁场取向后其矫顽力为15.6 kOe.

(f) BH~H 曲线表明取向磁体的最大磁能积为15.8 MGOe。

【小结】

该研究采用火焰合成法大规模合成了Sm-Co纳米单晶颗粒，可实现对Sm/Co成分的精准控制，从而得到高取向度、大磁能积的纳米磁体，解决了传统化学法扩散不均匀的关键问题，及无法规模化合成的重要问题。同时该工作的合成方法可以推广到制备各种稀土基纳米磁体，从而满足永磁体不同条件下的应用。

【作者简介】

马振辉博士，于2016年7月在北京航空航天大学材料学院获博士学位，师从蒋成保教授。2018年2月起在北京工业大学材料学院从事博士后工作，合作导师为岳明教授。2018年12月赴美国布朗大学（Brown University）化学系从事博士后研究工作，合作导师为孙守恒教授（Shouheng Sun）。近年来一直从事化学法合成高性能稀土基永磁材料的研究，目前共发表SCI论文14篇，总影响因子大于80，其中以第一作者发表SCI论文7篇，总影响因子接近50。

【文献信息】

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

全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.201907763

本文由第一作者马振辉博士供稿。

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