研究表明尺寸影响中空纳米颗粒的结构

北卡罗莱纳州立大学的一项新研究表明，尺寸在决定某些中空纳米颗粒的结构方面起着关键作用。研究人员关注的是镍纳米颗粒，它具有有趣的磁性和催化性能，可能在能源生产和纳米电子学等不同领域有应用。

“我们在这里揭示的原理对纳米制造有巨大的潜力——创造具有非常小的特征的材料，在从电子到医学的许多领域都有应用，”乔·特雷西博士说，他是北卡罗来纳州立大学材料科学和工程的助理教授，也是这项研究的合著者。“这项研究提高了我们对中空纳米颗粒的理解，为未来在超高密度磁记录和更高效催化剂方面的应用奠定了基础，这对化工生产、废物处理和能源生产都很有用。”

争论的焦点是镍纳米颗粒的氧化。如果你从一块镍的“核心”开始，对其进行氧化，将其暴露在高温下的氧气中，材料的结构就会发生变化。如果材料被部分氧化——在有限的时间内暴露在氧气和高温中——材料周围就会形成一个固态的氧化镍壳。

如果材料暴露在热和氧较长一段时间，进一步的氧化发生。外壳保留了下来，但是镍被运输出了核心，留下了一个空洞。如果材料被完全氧化，就会产生一个更大的空洞——使氧化镍壳实际上是中空的。这种固体纳米颗粒向中空纳米颗粒的转变被称为“纳米级别的科肯德尔效应”。

但是北卡罗来纳州立大学的研究人员发现，镍核的大小在这些粒子的结构中也起着关键作用。例如，在更小的镍纳米颗粒中——那些核心直径小于30纳米(nm)的纳米颗粒——在氧化过程中在壳内形成一个单一的空洞。这就产生了一个不对称的镍芯，在芯的一侧生长着一个空洞。随着氧化过程的继续，剩下的核会缩小。这是很重要的，部分原因是镍氧化壳在靠近核心的一侧逐渐变厚。在30纳米范围内，核越大，壳的那一边就越厚。换句话说，你最终会得到一个氧化镍外壳，它的一边比另一边厚得多。

然而，研究人员发现，较大的镍纳米颗粒的作用完全不同。研究人员测试了直径为96纳米的镍芯纳米颗粒，发现这些纳米颗粒中的氧化过程在核心中产生了多个空洞——尽管核心本身仍然完全被镍氧化物外壳包围。这一过程有效地导致了整个地核气泡的产生。即使在完全氧化之后，这些气泡的“骨架”仍然保留了下来，形成了一个本质上是中空的外壳，其中仍然夹杂着镍核的一些残余。

Tracy说:“这告诉了我们很多关于如何利用纳米级的Kirkendall效应来创造纳米级结构的信息。”“这是该领域未来研究的基石。”

这项研究中,“镍纳米颗粒氧化过程中尺寸依赖的纳米尺度Kirkendall效应”在杂志上发表了吗ACS Nano．该研究由国家科学基金会和北卡罗来纳州立大学资助，由Tracy、北卡罗来纳州立大学本科生Justin Railsback、北卡罗来纳州立大学博士生Aaron Johnston-Peck和前北卡罗来纳州立大学博士后研究助理Junwei Wang博士共同撰写。

材料科学与工程系是北卡罗莱纳州工程学院的一部分。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

镍纳米颗粒氧化过程中尺寸相关的纳米Kirkendall效应

作者:贾斯汀。G. Railsback, Aaron C. Johnston-Peck，王俊伟，Joseph B. Tracy，北卡罗来纳州立大学

发表2010年4月2日ACS Nano

文摘:通过透射电镜观察了不同尺寸(平均直径分别为9 nm、26 nm和96 nm)的Ni纳米颗粒(NPs)在氧化成中空(单孔)或多孔(多孔)NiO过程中通过纳米尺度Kirkendall效应的转化过程。样品在200-500℃处理1-4小时表明，完全氧化的NPs的结构不依赖于温度，但氧化在较高的温度下进行得更快。对于Ni/NiO体系，初始NiO壳层(厚度约为3 nm)形成后，NiO壳层内表面形成单个或多个空洞，空洞不断增大，直至向NiO转化完成。空穴形成和生长过程的差异导致了纳米结构的尺寸依赖演化:对于9 nm和26 nm NPs, NiO壳层下形成了一个单独的空穴，空穴通过穿过NP生长，而转变为NiO发生在空穴最初形成的位置对面。由于第一次形成空穴时9 nm和26 nm NPs Ni/NiO体积比的差异，它们具有不同的纳米结构:9 nm NPs形成近乎径向对称的NiO壳，而26 nm NPs的NiO壳中存在明显的不对称。通过选择中间氧化温度和改变反应时间，可以很好地合成部分氧化的Ni(芯)/NiO(壳)NPs。对于96 nm的NPs，形成并增长了多个空洞，这导致多孔NiO NPs。