自己組織化した単分散鉄微粒子の形成と巨大磁化窒化鉄の生成への応用

自组织单分散铁颗粒的形成及其在巨型磁化氮化铁生产中的应用

• 批准号: 17655090
• 负责人: 吉川 信一
• 金额: $ 2.11万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17655090/
• 关键词: セラミックス; 自己組織化; ナノ材料; 無機工業化学; 磁性

窒化鉄Fe_<16>N_2は巨大磁化をもつ磁性体として期待されているが、熱的に準安定であるために合成が困難である。α-Fe微粒子を原料として100℃程度の低温でアンモニア窒化すると合成できる可能性を既に明らかにした。しかしその生成および磁性の発現には、原料となるα-Fe微粒子の粒径、粒度分布および表面状態が重要である。前年度には安定化剤としての界面活性剤オレイン酸およびオレイルアミンが共存するオクチルエーテル溶媒中において、ペンタカルボニル鉄Fe(CO)_5を熱分解した。単分散性の良いα-Fe微粒子が得られたが、安定化剤/Fe(CO)_5モル比=0.2、0.5、2の場合には、粒径はそれぞれ約5nm、10nm、20nmであった。しかしこの合成法ではα-Fe微粒子の粒径は30nm程度が上限であり、強磁性体の生成に有効な100nm程度まで大きく成長させることはできなかった。本年度には、水溶液法で合成した3種類のFe_3O_4微粉末A・B・C(粒径200nm・100nm・40nm)と気相法で合成したγ-Fe_2O_3微粉末D(30nm)、気相法で合成したα-Fe微粉末E(100nm)を、 A〜Cはあらかじめ400℃・16時間、Dは500℃・10時間水素還元した。 Eは還元せずにそのまま窒化原料とした。還元後のA・Bを180℃で窒化すると少量のFe_<16>N_2が生成したが、大部分は未反応のα-Feであった。200℃以上でもFe_<16>N_2は増加せず、 Fe_3NやFe_4Nの生成量が増加した。一方Cは、170℃窒化時に約70%の収率でFe_<16>N_2が得られた。しかし、磁化の低いFe_3NやFe_4Nの混在により飽和磁化は154emu/gと窒化前のα-Feの172emu/gから減少した。保磁力は1062oeと比較的大きな値を示した。また、Dを出発原料とした場合には、170℃窒化時にFe_<16>N_2が約80%の収率で得られた。 Eを170℃で窒化すると、約95%の収率でFe_<16>N_2が得られた。しかし、原料粉中の酸素に由来するFe_3O_4の生成により飽和磁化は157emu/gに留まった。同様の条件下で試料を撹拌せずに窒化したところFe_<16>N_2の収率は約90%に低下した。試料の撹拌が低温窒化における反応性向上に寄与することが分かった。

氮化铁Fe_16N_2有望成为一种具有巨磁化强度的磁性材料，但由于其具有热亚稳态，合成困难。我们已经揭示了在100℃左右的低温下通过氨氮化合成α-Fe细颗粒的可能性。然而，用作原料的α-Fe细颗粒的粒径、粒径分布和表面状态对于其磁性的产生和表现很重要。去年，在表面活性剂油酸和油胺作为稳定剂存在下，在辛基醚溶剂中热分解了五羰基铁Fe(CO)_5。获得了单分散性良好的α-Fe细颗粒，但当稳定剂/Fe(CO)_5摩尔比=0.2、0.5和2时，颗粒尺寸分别约为5 nm、10 nm和20 nm。然而，在该合成方法中，α-Fe粒子的粒径上限为30nm左右，无法将其生长至对制造强磁性材料有效的100nm左右的尺寸。今年采用水溶液法合成了三种类型的Fe_3O_4细粉A、B、C（粒径200nm、100nm、40nm），采用气相法合成了γ-Fe_2O_3细粉D（30nm），合成了α-Fe细粉粉末 E (100nm) 为A至C预先用氢气在400℃还原16小时，并且D用氢气在500℃还原10小时。 E在不被还原的情况下用作氮化原料。还原后的A、B在180℃氮化时，生成少量Fe_16N_2，但大部分为未反应的α-Fe。即使在200℃以上，Fe_<16>N_2也没有增加，但Fe_3N和Fe_4N的生成量增加。另一方面，当C在170℃氮化时，得到Fe_ 16 N_2，产率约为70％。然而，由于Fe_3N和Fe_4N的混合物具有低磁化强度，饱和磁化强度从氮化前的172emu/g下降到154emu/g。矫顽力显示出相对较大的值1062oe。此外，当使用D作为起始原料时，在170℃的氮化过程中以约80％的产率获得Fe_ 16 N_2。当E在170℃氮化时，得到Fe_ 16 N_2，收率约为95％。然而，由于原料粉末中源自氧的Fe_3O_4的形成，饱和磁化强度仍保持在157emu/g。当样品在类似条件下不搅拌氮化时，Fe_ 16 N_2 的产率下降至约90％。研究发现，搅拌样品有助于提高低温氮化的反应性。

项目成果

低温窒化法によるFe_<16>N_2生成反応の粒子径依存性

低温氮化法生产Fe_<16>N_2反应的粒径依赖性

• 发表时间: 2006
• 期刊: 粉体および粉末冶金 53
• 作者: 武田隆史;久保田浩平;吉川信一
• 通讯作者: 吉川信一

Fe_<16>N_2 fine powder with a large magnetization prepared by low temperature nitridation

低温氮化制备大磁化强度Fe_<16>N_2细粉

• 发表时间: 2007
• 期刊: Solid State Science (in press)
• 作者: A.Yamada;T.Takeda;S.Kikkawa
• 通讯作者: S.Kikkawa

第5版実験化学講座23"無機化合物"(日本化学会編)

第5版实验化学课程23《无机化合物》（日本化学会编）

• 发表时间: 2005
• 作者: S.Kikkawa;K.Kubota;T.Takeda;吉川信一
• 通讯作者: 吉川信一