VSP 用户成果丨利用大气压火花烧蚀技术合成氮化金属和金属氧化物纳米颗粒

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作者：复纳科技

产品： VSP-A, VSP-G1, VSP-P1

关键词：火花烧蚀，金属氧化物纳米颗粒，纳米颗粒合成与制备

日期：2026-02-09

发表文章：Synthesis of metal nitride and metal oxide nanoparticles by atmospheric-pressure spark ablation

发表期刊：Journal of Materials Chemistry C

原文链接：https://doi.org/10.1039/d5tc02874d

使用仪器型号：VSParticle VSP-G1 纳米颗粒发生器

01 摘要

本研究利用大气压火花烧蚀技术在纯氮气（N₂）氛围中合成金属氮化物和氧化物纳米颗粒的方法及其机理。研究选取钛（Ti）、铝（Al）、镁（Mg）和钯（Pd）四种金属电极，通过火花放电产生金属蒸气，并在氮气中淬灭成核，成功合成了不同组成的纳米颗粒。结果表明，Ti 和 Al 电极生成氮化物与氧化物的混合纳米颗粒，Mg 仅生成氧化物，而 Pd 则生成纯金属纳米颗粒。进一步稳定性研究发现，TiN 纳米颗粒在空气中具有较高的化学稳定性，而 AlN 在九个月内完全氧化为 γ-Al₂O₃。该研究为一步法合成功能性金属氮化物/氧化物纳米颗粒提供了新思路，并揭示了材料热力学性质与成键特性对其形成与稳定性的关键影响。

02 研究背景

金属氮化物和氧化物纳米颗粒因其独特的物理化学性质（如强等离子体响应、高熔点、化学稳定性和可调电子结构），在催化、传感、能源存储等领域具有广泛应用。传统化学合成方法（如高温氮化、溶胶-凝胶法）通常能耗高、步骤繁琐，且易产生副产物。物理气相法（如火花烧蚀）因其操作简单、环境友好、无需化学前驱体而受到关注。火花烧蚀（VSP-G1 纳米颗粒发生器）通过电极间放电使金属局部蒸发，蒸气经载气淬灭后成核生长为纳米颗粒。尽管已有研究报道其在合成金属氧化物方面的应用，但在氮气中合成金属氮化物及其与氧化物的竞争形成机制尚不明确。本文旨在系统探究大气压火花烧蚀在氮气中合成金属氮化物/氧化物纳米颗粒的可行性，并评估其长期稳定性。

03 研究方法

研究使用 VSParticle VSP-G1 纳米颗粒发生器，以高纯度 N₂（99.999%）作为载气，流量为 2 L·min⁻¹。电极材料包括 Ti、Al、Mg 和 Pd，直径分别为 2 mm（Ti、Pd）和 3 mm（Al、Mg）。火花能量固定为 22.5 mJ/次。生成的纳米颗粒通过扫描迁移率粒径谱仪（SMPS）测量粒径分布，并通过 X 射线衍射（XRD）和高分辨透射电镜（HR-TEM）分析其晶体结构和形貌。稳定性测试通过将样品暴露于环境空气中数月后进行重复 XRD 测量，并结合 STEM-EDS 进行元素映射分析。

04 研究结果

纳米颗粒组成与粒径分布

Ti 和 Al 电极生成混合相纳米颗粒：TiN/TiO 和 AlN/γ-Al₂O₃。Mg 电极仅生成 MgO，且初始形成的 Mg₃N₂ 在空气中迅速氧化。Pd 电极生成纯金属 Pd 纳米颗粒，未检测到氮化物或氧化物。纳米颗粒的几何平均直径在 43–45 nm（Ti、Pd）、约 75 nm（Mg）和 >100 nm（Al）之间，与材料的烧蚀性相关。

在 SDG 中使用（a）和（b）Ti，（c）和（d）Al，（e）和（f）Mg，以及（g）和（h）Pd 电极，N₂ 作为载气时，SMPS 测量的沉积 NP 颗粒大小分布（左图）和 XRD 系统绕射图（右图）。XRD 测量中括号内的数字是米勒指数，而绕射图下方的线条显示对应文库的数据。

结构表征

XRD 和 TEM 确认了各物相的晶体结构，d 间距测量结果与标准卡片吻合。晶体尺寸通过 Scherrer 公式估算：TiN 约 37.8 nm，AlN 约 14.4 nm，γ-Al₂O₃ 约 18.4 nm，MgO 约 51.8 nm，Pd 约 54.1 nm。

在 SDG 中使用（a）和（b）Ti，（c）和（d）Al，（e）Mg 和（f）Pd 电极，N₂ 为载气时，沉积物沉积 NPs 的 TEM 图像。

长期稳定性

TiN 在九个月内部分氧化为 TiNₓOᵧ，但仍保持氮化物主体结构。AlN 在九个月内完全转化为 γ-Al₂O₃。稳定性差异归因于 M-N 键特性：TiN 具有混合共价-离子-金属键，抗氧化性强；AlN 为极性共价键，易于氧化；Mg₃N₂ 为离子键，极不稳定。

SDG 在 N₂ 流下使用（a）Ti 和（b）铝电极产生的 NP 样品的 XRD 分析。样本在合成后立即（黑色曲线）、两个月后（蓝色曲线）和九个月（红色曲线）进行分析。右侧的图展示了 Ti（顶部）2θ = 36–46°的衍射图细节，以及 Al（底部）电极 2θ = 37–48°的绕射图，以及来自 TiO 和γ-Al₂O₃（绿色）库的数据。

形成机制探讨

氮化物形成与金属氮化反应的焓变（ΔH）密切相关：Ti、Al、Mg 的氮化焓为负值，热力学上可行；Pd 的氮化焓为正值，难以形成氮化物。氧化物的生成源于载气或环境中的微量氧气，与氮化物形成竞争关系。

05 结论

本研究证实了大气压火花烧蚀在氮气环境中可一步合成金属氮化物/氧化物纳米颗粒，其组成高度依赖于电极材料的热力学性质与成键特性。Ti 和 Al 可形成氮化物/氧化物混合相，Mg 仅生成氧化物，Pd 则生成纯金属颗粒。稳定性方面，TiN 因具有强混合键合而表现出优异的抗氧化性，AlN 则易完全氧化。该技术具有简单、环保、无需后续处理等优势，为功能性纳米颗粒的可控制备提供了新途径。未来可通过进一步纯化载气（如去除微量氧气）实现纯氮化物相的合成，并扩展至更多金属体系（如过渡金属、类金属等），以满足催化、传感、涂层等先进材料应用的需求。

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