[发明专利]双金属电极脉冲直流偏置电沉积制备纳米金属颗粒的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及金属纳米颗粒的制备方法，特别是涉及电沉积制备纳米金属溶胶的方法。

背景技术：

金属颗粒在处于纳米尺度范围时，具有独特的电学、磁学、光学、力学性能。纳米金属颗粒在石油裂解催化、高密度磁记录材料、环境保护，医学生物检测等领域有很好的应用前景。但当金属颗粒在纳米尺度时，具有强烈的选择吸附性，极易发生团聚，使得稳定分散的纳米金属颗粒的制备十分困难。

按照制备原理不同，纳米级金属颗粒的制备方法可以分为物理方法和化学方法等。其中物理方法是采用蒸发凝聚、离子溅射和激光溅射进行金属纳米颗粒的制备。机械研磨也是一种较为简单常用的方法，如在-196℃的低温下对银粉进行高能机械球磨，得到了平均粒径约为20nm的银颗粒粉末。物理方法原理简单，所得产品杂质少、质量高，但其缺点是对仪器设备要求较高，生产费用昂贵。化学法是目前纳米金属材料最常用的制备方法，它是通过化学反应将金属离子还原，使其形成纳米级颗粒。根据还原金属离子方法的不同，纳米金属颗粒的制备又可分为化学还原法、热解法、射线辐照法、微乳液法、超临界流体法、电化学法等。其中化学还原法是最常用的纳米金属颗粒的制备方法之一，其原理是将金属盐与适当的还原剂在液相中进行反应，使金属离子被还原成原子，并生长为单质颗粒。但化学还原法制得的纳米金属颗粒中杂质含量相对较高。而且由于相互之间表面作用能大，生成的金属微粒之间易团聚，所以化学还原法制得的金属粉末粒径一般较大，分布较宽。加入分散剂能够降低生成的金属颗粒的团聚作用，减小颗粒粒径，但增加了反应副产物，提高了生产成本。而电化学法是在氮气保护下用铂电极直接对含可溶性金属离子的电解液进行电解，得到树枝状和球形的纳米金属颗粒。热解法是通过有机金属化合物的热解反应制取纳米金属颗粒材料，该方法具有工艺路线简单、反应条件温和、产物组成均匀、结构易于控制及容易实现大量制备等特点，但原材料昂贵。相对于物理方法而言，化学方法较为灵活多样，易于操作，但同时这几种方法需要消耗大量的表面活性剂，不仅提高了生产成本，而且容易污染环境。

发明内容：

本发明的目的是提供一种双金属电极脉冲直流偏置电沉积制备纳米金属颗粒的方法，它能实现规模化高产率生产优质纳米金属颗粒，制备工艺简单，能耗低，产率高，环保，适合于规模化生产。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明是采用以下技术方案：将两片金属板平行并列放入装有电解质水溶液的电解槽中，两块金属板分别连接脉冲直流偏置电源的正、负极，室温下，施加波形为方波，脉冲频率为60～100Hz，脉冲电压幅值为8～12V，偏置电压为2～5V，偏置电流密度为0.005～0.05A/dm²的脉冲直流偏置电流，获得粒径为3～30nm的金属颗粒。

所述的金属板可以是银板、铂板、钯板、镍板，两块金属板之间的距离为3-10cm。

所述的电解质水溶液中为氯酸盐或硝酸盐和亚硫酸钠组合的浓度为0.06～0.1mol/L的弱酸性溶液；或者是浓度为0.05～0.08mol/L的氨基磺酸盐碱性溶液。

为了使制备的纳米金属颗粒稳定以及防止纳米金属颗粒的团聚，选择在电解质水溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮和木质素作为表面活性剂和分散剂，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为该电解质水溶液总质量的0.5～3.0％，木质素的质量浓度为该电解质水溶液总质量的0.2～0.8％。

由于溶胶含有大量的水在脱水干燥的过程中，颗粒之间会产生大量的毛细管，在表面张力的作用下使胶粒发生收缩、聚结，也是造成溶胶颗粒团聚。同时，由于在溶胶中，金属胶粒表面存在的大量架桥羟基将引起相邻胶粒之间由于氢键作用而结合在一起，在脱水干燥过程中，这些氢键也将转化成强度更高的桥氧键从而使金属颗粒形成硬团聚。加入适当的有机物表面活性剂，有机物分子会吸附在胶粒上，在胶粒之间产生空间位阻效应，提高颗粒的分散性。而且在溶胶的脱水干燥过程中，由于有机溶剂具有较小的表面张力，将削弱脱水过程中的毛细管力，使颗粒之间的结合强度降低。

本发明采用纯度超过99.94％的高纯金属，阳极、阴极的金属片的厚度为0.05～5mm。

本发明具有以下有益效果：工艺简单，能耗低，产率高，环保，适合于规模化生产，溶胶的分散性和稳定性好，存放几个月较少发生沉淀或分层现象。

具体实施方式：