[發(fā)明專利]激光合成碳包覆金屬納米顆粒的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810052330.X
• 申請日: 2008-02-27
• 公開（公告）號: CN101239391A
• 公開（公告）日: 2008-08-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫景;牛凱陽;崔蘭;杜希文;田飛;宋鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學
• 主分類號: B22F1/02
• 分類號: B22F1/02
• 代理公司: 天津佳盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 侯力

【技術(shù)領(lǐng)域】：本發(fā)明屬于納米材料制作技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種激光合成碳包覆金屬納米顆粒的方法。

【背景技術(shù)】：碳包覆金屬納米顆粒是由類富勒烯碳層包覆金屬顆粒形成的一種具有核/殼結(jié)構(gòu)的納米材料。由于碳層對納米金屬顆粒具有保護作用，大大拓展了這種納米金屬顆粒材料的應(yīng)用范圍，使其在生物醫(yī)學工程、催化和新能源等諸多科學技術(shù)領(lǐng)域顯示出巨大的潛在應(yīng)用價值。

碳包覆金屬納米顆粒作為一種新型復合材料，其制備、性能與應(yīng)用的研究已成為材料科學領(lǐng)域的研究熱點。目前，制備碳包覆金屬納米顆粒的方法主要有：1、電弧放電法——首次發(fā)現(xiàn)的碳包覆金屬納米顆粒就是由美國Rouff小組在1933年采用電弧法蒸發(fā)氣化摻La的陽極石墨棒時得到的，它是由多層石墨層片包覆La納米顆粒核的新型納米材料，參見R?SRuoff，D?C?Lorents，B?Chan?et?al，Science，1993，259：346～348。這種方法是在惰性氣氛下，用直流電弧放電蒸發(fā)由石墨粉末和要包覆的金屬單質(zhì)或其氧化物的混合物組成的電極，在沉積于陰極或反應(yīng)室壁上的產(chǎn)物中獲得碳包覆納米金屬顆粒。目前采用電弧法可以得到尺寸較小且分布較窄的碳包覆金屬納米顆粒，殼層碳的晶化程度也較高。但由于反應(yīng)的復雜性，電弧法產(chǎn)物中除碳包覆金屬納米顆粒外，還伴有很多副產(chǎn)物(如碳納米管、富勒烯及碳黑等)，使得碳包覆金屬納米顆粒的純度低；另外此方法使用的設(shè)備比較復雜，工藝參數(shù)不易控制，耗能大，成本高，難以實現(xiàn)大規(guī)模合成。2、化學氣相沉積法——Wendy?Teunisen等人在2001年引入模板介質(zhì)已經(jīng)制備出結(jié)構(gòu)完好且分布均勻的NiFe復合金屬碳包覆納米材料，其顆粒粒度在20～40nm，碳層厚度為5～10nm，參見Teunissen?W，de?Groot?F?M?F，Geus?J.，Journal?of?Catalysis，2001，204：169-174。化學氣相沉積法是制備碳包覆金屬納米顆粒比較常用并且是研究較多的方法，得到的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)完好、分布均勻并且收率要比電弧法高，但其也有一些不足：(1)所得碳包覆金屬納米顆粒的粒徑及分布受制于反應(yīng)前鋪撒在基板上的納米金屬催化劑的顆粒大小及其分布，前期納米催化劑的制備及其在基板上的均勻分散比較復雜，后期產(chǎn)物與基板和催化劑載體的分離比較困難；(2)反應(yīng)產(chǎn)物中除碳包覆金屬納米顆粒外，還同時會生成碳納米管和無定形的碳顆粒，純度仍較低。3、熱解法——這種方法形成碳包覆納米金屬晶是基于液相催化熱縮聚的原理，霍俊平等人利用熱解合成法，通過選擇金屬化合物和芳烴化合物類型及控制熱反應(yīng)程度獲得了具有不同形態(tài)和大小的碳包覆納米金屬顆粒，參見H?H?Song，X?H?Chen，Chemical?Physics?Letters，2003，374(3-4)：400-404。熱解法的工藝比較簡單，制備成本較低，但其需要選擇合適的金屬源和碳源，并且熱反應(yīng)程度也不易控制，這就限制了碳包覆的納米金屬顆粒的種類并降低了成功制備的可能性。

【發(fā)明內(nèi)容】：本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有制備碳包覆金屬納米顆粒工藝中反應(yīng)不易控制及產(chǎn)物純度低、產(chǎn)量小等問題，利用激光技術(shù)制備納米材料的優(yōu)勢，提供一種不受碳及金屬粒子前驅(qū)體限制、工藝簡單且能大量制備的激光合成碳包覆金屬納米顆粒的新方法。

本發(fā)明提供的激光合成碳包覆金屬納米顆粒的方法，該方法包括以下步驟：

第一、以微米級碳粉和金屬粉末為原料，金屬粉與石墨原子比為1～2∶1，在無水乙醇中球磨金屬粉和碳粉的混合粉末，磨球與原料質(zhì)量比為5～10∶1。采用球磨工藝是為了使微米級金屬粉末細化并與碳粉均勻混合。

所述的碳粉為石墨顆粒或碳黑顆粒，其粒徑應(yīng)小于等于10微米；金屬粉末原料為微米級鐵、鈷或鎳顆粒，粒徑應(yīng)小于等于50微米。

第二、將第一步球磨后的金屬粉和碳粉的混合粉末放入液體介質(zhì)中形成懸浮液，使金屬粉和碳粉的混合粉末在液體介質(zhì)中能夠自由流動。

液體介質(zhì)的作用是使碳粉和金屬粉末懸浮于其中，因此，液體介質(zhì)可以為水、醇、酮、醚、或由這些液體形成的溶液，以及由它們之間任意兩種或兩種以上形成的混合液。

懸浮液中的金屬粉和碳粉的混合粉末利用超聲波使懸浮液均勻分散并與激光充分作用。

第三、使用脈沖激光轟擊金屬粉和碳粉的混合粉末懸浮液，其中脈沖激光由液體表面上方照射入液體內(nèi)，脈沖激光的焦點匯聚于液體表面以下，焦點平面與液面距離大于1mm。