[发明专利]使用交流电电解制备金属纳米颗粒的方法和设备

说明书

发明背景 

发明领域

本发明涉及使用交流电电解制备金属纳米颗粒的方法和设备，更特别地涉及这样的使用交流电(AC)电解制备金属纳米颗粒的方法和设备，其中，在合成金属纳米颗粒期间，能通过将还原剂和分散剂浓度保持在与电流强度成比例的恒定水平而显著改善合成的金属纳米颗粒的产率。 

现有技术描述 

通常，用于获得精细金属粉末的方法包括诸如共沉淀、喷涂、溶胶凝胶处理和反相微乳化处理的化学方法以及诸如球磨和捣磨的机械研磨方法。 

例如，主要用于制备银纳米颗粒的化学方法包括下述方法：由硝酸银水溶液与碱性溶液中和产生的氧化银或氢氧化银沉淀通过诸如肼、过氧化氢或福尔马林的还原剂而还原的方法；由所述中和反应产生的氢氧化银沉淀通过吹入诸如氢气或一氧化碳的强还原力气体而还原的方法；以及碱性胺络合物的水溶液通过添加诸如福尔马林或草酸的还原剂而还原由此沉淀银粉末的方法。 

然而，这类常用制备方法存在非环境友好的缺点，因为它们将金属盐电解质用作起始材料，需要更多成本和时间来去除有害的材料，并且其不易于控制粒径。另外，这类常用方法存在非环境友好的缺点，因为用于通过积聚金属颗粒而导致颗粒生长的表面活性剂和添加剂为有害的材料。 

在常用电解方法中，将诸如硝酸盐、碳酸盐或硫酸盐的金属盐用作电解质，通过电解由与颗粒相同的金属材料制成电极而获得颗粒。 

在电解中，电解时将有害金属盐用作电解质以获得金属粉末的原 因归因于金属不溶于水。当将与强酸盐结合的金属溶解于水时，其能够易于解离为能通过还原剂而还原以产生颗粒的离子。 

该电解方法为非环境友好的，因为有害材料生成为副产物，并且当温度升高时产生有害气体。此外，颗粒尺寸不均匀。 

此外，在使用诸如硝酸盐、碳酸盐或硫酸盐的金属盐的常用电解方法中，起始材料本身为非环境友好的，在中和和洗涤过程中出现废水处置问题，需要实施许多洗涤过程，并且在洗涤过程中损失大量的金属粉末。 

同时，在机械方法中，使用球磨或捣磨来研磨银的方法为广泛使用的。然而，机械研磨方法在获得精细颗粒中具有基本原理限制，并且不适于获得纯金属颗粒，因为颗粒极有可能被污染。 

在第10-2006-120716号韩国专利公开中披露了使用脉冲型能量制备精细金属颗粒的方法，其包括将碱金属溶解于水或有机溶剂，将至少两个金属电极彼此分离地放置在溶液中，然后向金属电极施加交流电流，其随时间推移而周期性改变大小和方向，由此诱发电离铂族金属和具有在其上形成的不由电解而电离的强氧化膜的金属，并且还原电离的金属。 

在所述专利公开披露的制备方法中，电离金属的还原不取决于由阴极发射的电子。相反，将具有强电离倾向的碱金属化合物(基于柠檬酸盐、抗坏血酸盐或乙酸盐的化合物)溶解于电解质，由此使碱金属以阳离子状态存在，并且金属离子通过接收来自金属阳离子的电子而还原。 

此外，在该制备方法中，使用未电解的溶剂，例如乙醇和苯，从而防止下述现象，即在金属离子已被还原之后电解过程中生成的具有强氧化力的金属离子立即与氧结合从而形成金属氧化物。 

同时，第Hei 4-157193日本专利公开披露了不需要不同制备过程的用于制备超细金属颗粒的方法，其具有低生产成本、低生产成本，简单且高效，不涉及并入杂质并对人体没有不利影响。该方法包括将多个银电极和/或铂电极彼此相反地放置在电解质中，并且在电极间施加交流电，由此制备超细金属颗粒。 

此外，在第Hei 4-157193号日本专利公开披露的制备方法中，将NaCl、KCl、CaCl₂、Na₂SO₄、CaSO₄、Na₂CO₃或乙酸钾的水溶液用作电解质，可用作催化剂的超细铂或银颗粒由低电离倾向的金属而制备，并且制备的精细颗粒具有0.6μm至1.2μm的粒径和0.8μm的平均粒径。 

此外，根据第Hei 4-157193号日本专利公开的公开内容，交流电流的频率通常为2Hz至120Hz，并且优选为10Hz至80Hz(然而，该专利公开的实施例13披露了当为5Hz至100Hz范围外的频率时，需要更多时间直至生成超细颗粒，并且20Hz至80Hz的频率范围是优选的)，并且当频率低于2Hz或高于120Hz时，超细金属颗粒的生产效率将会变差。