[发明专利]一种纳米铝粒子的高效合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米铝粒子的高效制备方法，在常温水溶液中，一种超支化聚合物自发还原三价铝离子，生成纳米铝粒子，产物具有“超支化物包裹纳米铝粒子”的核壳结构；将反应体系置于强磁场后可提高反应速率和产率。

背景技术

纳米材料是纳米科学中的一个重要的研究发展方向, 近年来已在许多科学领域引起了广泛的重视，成为材料科学研究的热点；作为纳米材料的一个方面, 金属及其合金纳米粒子在现代工业、国防和高技术发展中充当着重要的角色；纳米粒子是指尺寸为1- 100 nm 的超细粒子，纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着粒径的减小而急剧增大, 显示出强烈的体积效应( 即小尺寸效应) 、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应；其中金属纳米粒子具有优良的性能以及与其他材料复合时表现出来的独特性能, 在国民经济的很多领域都有着广阔的应用前景，可用作催化剂、医用材料、、电磁功能材料、吸波材料、传感器元件材料和纳米复合材料等。

据美国物理学家组织网报道：通过在太阳能薄膜电池上沉积纳米铝粒子后，可以提高电池的光电转化效率；纳米铝粒子能防止光线的逃逸和反射，使得更多的直射光直接进入太阳能电池，而且铝粒子的应用成本比贵金属粒子要低很多；所以在太阳能电池上使用纳米铝粒子的核心优势在于：第一是纳米铝粒子的光捕获性能更强，能显著提高光电转化效率，第二是降低太阳能电池的生产成本，并增强太阳能电池的市场竞争力，使太阳能电池变得更轻更薄更高效，具有较强的研究意义和商业价值；除此之外，纳米铝粒子因其特殊的助燃性能，可以作为固体燃料推进剂，在国防和航空航天领域有广泛应用。

从目前纳米铝粒子制备技术来看，是以物理方法为主，机械磨擦块体材料、蒸发冷凝和模板式电化学沉积等，原理是在近沸点温度时蒸发块体铝材，继之冷凝，蒸发热源来自高频电源、激光、直流电弧等离子加热、电爆炸等；通过分析发现，物理法制备纳米铝粒子存在“近沸点超高温制备、纳米粒子尺寸大、粒径范围宽、制备效率较低”且“钝化过程控制难度大，铝粒子损耗严重”的问题，因此认为：探索常温下化学法制备纳米铝粒子是当引起关注的；目前液相中制备金属纳米粒子的方法众多，有化学还原法、微乳液法、辐射合成法等，但综合目前文献看，国内外关于液相法制备纳米铝粒子的报道很少。

2010年Ghanta在有聚乙烯吡咯烷酮或甲基丙烯酸甲酯的三甲基苯溶液中用氢化铝锂还原AlCl₃制备了纳米铝粒子，在有搅拌时165℃持续反应24小时，通过液相合成法制备了不同Al/聚合物比例的复合材料；存在的主要问题是：反应时间长，制备出的纳米粒子尺度范围47-158nm，存在尺度大且粒径范围宽的问题，也影响着粒子的性能稳定，并且在生成物中有非球状颗粒出现，形貌和尺寸的不统一对纳米铝粒子发挥其功能特性不利。

针对现有化学法制备纳米铝粒子中存在的不足之处，本发明以纳米铝粒子在太阳能电池上的应用需求为依据，以新材料制备的“高效率、高性能、低成本、低污染”为指导原则，提供一种超支化聚合物作为溶剂、分散剂和还原剂，在常温下通过“原子转移自由基聚合法”制备纳米铝粒子，粒子具有聚合物包覆的核壳结构；从产物特征上看，金属纳米粒子的制备主要要求是：（1）粒子表面清洁；（2）粒子形状、粒径以及粒度分布可以控制，粒子团聚倾向小；（3）容易收集，有较好的热稳定性，易保存；（4）生产效率高，产率、产量大，其中控制颗粒尺寸并提高生产效率和产率具有重要意义，本发明意在于此。

再者，化学反应具有较高的速率和产率是一种工艺实现产业化的重要条件，从材料制备的发展趋势看，将适当的物理场引入反应体系并正面干涉反应过程是有效的，也是提高和完善新材料功能性的重要途径，目前来看，可应用的物理场有不同强度的电磁场、电场和超声场及其耦合场等；其中磁场是与温度、压力一样重要的物理参数，特别地，强磁场作为一种极端条件下的特殊电磁场形态，能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，改变原子和分子的排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能产生巨大而深刻的影响，强磁场加工已成为开发新型材料的一种重要技术手段，在固体物理学和凝聚态物理学中都有长足发展；在有机材料制备领域，脉冲强磁场可以改变化合物电子的运动行为，对自由基、离子的活性和寿命有很大的影响，从而可提高反应物的活性和选择性，调控化学反应与聚合过程，可诱发一般条件下无法实现的物理化学变化，或加速一般条件下可进行的物理化学变化。

发明内容