[发明专利]一种用金属氧化物为替代阳极制备金属纳米胶囊的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别提供一种用金属氧化物为替代阳极制备金属纳米胶囊的方法。

背景技术

纳米胶囊是指具有外壳-内核结构的，尺度在1至几百纳米的颗粒材料。当物质小到纳米尺度时，由于其量子效应、物质的局域性和巨大的表面及界面效应，使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。在空气中，锌、铜、铋、锡和铅，其表面都形成相应的氧化物。

纳米胶囊的外壳具有许多功能，如：保护内核免受环境的破坏；增加纳米团簇的稳定性以避免其长大；促进纳米颗粒在不同介质中的分散性；增加物质的活性；改变内核的光学、电学、磁学性质等。

中国专利200810013327.7提供了金属和异质金属氧化物微米粉为原料包覆异质金属“核/壳”型纳米粒子的合成方法;中国专利20031012369.1提供了一种纳米粉体制备的通用技术，将负氧平衡碳源炸药与反应物按一定比例混合，按预定方式起爆，来制备纳米粉体，美国专利7，422，620，提供了一种用化学方法制备铜的纳米颗粒，但这些方法都不能直接用来以氧化物为原料，直接制备铜、锌、铋、锡和铅的纳米胶囊。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属纳米胶囊的制备方法，该方法弥补了已有技术的不足，其特征是以金属氧化物粉为原料，并压制成块体放置在导电的坩锅上和坩埚一起为阳极，如坩锅为石墨或铜制成，阴极为石墨或钨。酒精或酒精和氢气作为还原剂，利用等离子体为热源，在氧化物的热解、电离、还原、蒸发和冷凝的过程中制备金属纳米胶囊。所得材料是由纳米级的金属为核，外面包裹该金属的氧化物组成的纳米胶囊，由于氧化物外壳的存在有效的提高纳米胶囊的耐氧化性。

本发明具体提供了一种用金属氧化物为替代阳极制备金属纳米胶囊的方法，其特征在于：采用阴、阳极在工作气体下电弧放电产生等离子体的方法制备金属纳米胶囊，其中阳极为金属氧化物粉末压成的块体和坩锅，具体工艺为：

将由金属氧化物粉末压成的块体，置于能导电的坩锅上，先以坩锅为阳极与阴极之间放电，使之产生高温电弧，使金属氧化物热解、电离而导电，再以金属氧化物块体为替代阳极，与阴极之间放电，使金属氧化物分解还原，产生金属蒸气，再冷凝，制备出金属纳米胶囊粉末。

本发明所述用金属氧化物为替代阳极制备金属纳米胶囊的方法，其特征在于：所述坩锅为石墨坩锅或铜坩锅，阴极为石墨电极或钨电极，以氩气为工作气体，工作气压不超过10⁵Pa，用电弧放电产生等离子体，放电电压不低于8V，使金属氧化物粉末压成的块体热解、电离、还原和冷凝，制备出金属纳米胶囊。

本发明所述用金属氧化物为替代阳极制备金属纳米胶囊的方法，其特征在于：在电弧放电前充入氩气不低于2000Pa。

本发明所述用金属氧化物为替代阳极制备金属纳米胶囊的方法，其特征在于：采用酒精或酒精和氢气的混合气作为还原剂。

本发明所述用金属氧化物为替代阳极制备金属纳米胶囊的方法，其特征在于：金属氧化物粉末为氧化锌ZnO、氧化铜CuO、氧化铋Bi₂O₃、氧化锡SnO₂或氧化铅PbO粉末。

本发明采用电弧放电产生等离子体的制备技术，在电弧放电过程中，电子在电场中获得的能量U=电量×电压，电子的电荷量为e=1.6×10^-19库仑，当电压V=1伏特时，因而可以得到1eV=1×1.6×10^-19库仑×伏特=1.6×10^-19焦耳。根据温度的微观定义，u=3/2kT=1eV=1.6×10^-19焦耳，把玻耳兹曼常数代入便可得到电子温度T，1eV=11600K。这仅是考虑单独电子行为。电子能量很大、温度很高，但数量很少。当等离子态变为正常态时，温度骤降，这为金属形核提供了条件。由于纳米金属粒子的粒径小、比表面大，在空气中被氧化，形成氧化物外壳，即所说的金属纳米胶囊。

金属氧化物粉末压成的块体后，电阻很大，是绝缘体或半导体，在氩气中，开始电弧放电产生等离子体的电流并不通过金属氧化物的靶，但由于这时的电弧等离子体的温度很高，所以金属氧化物迅速熔化，热解，并通过电流。当用石墨坩锅，碳电极，充入氩气或氩气和还原气体氢及乙醇(C₂H₅OH)，在金属氧化物热解后，就可导电，金属氧化物粉末压成的块体则成为阳极，接着被还原成金属并蒸发，然后冷凝在水冷壁上或收集室中。