[發明專利]一種用金屬氧化物為替代陽極制備金屬納米膠囊的方法

有效

• 申請號: 201210466336.8
• 申請日: 2012-11-16
• 公開（公告）號: CN102974835A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 王振華;耿殿宇;姜菁菁;王瀚;龔文杰;姜林文;王輝;汪嘉恒;張志東
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: B22F9/14
• 分類號: B22F9/14
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

技術領域

本發明屬于納米材料制備技術領域，特別提供一種用金屬氧化物為替代陽極制備金屬納米膠囊的方法。

背景技術

納米膠囊是指具有外殼-內核結構的，尺度在1至幾百納米的顆粒材料。當物質小到納米尺度時，由于其量子效應、物質的局域性和巨大的表面及界面效應，使物質的很多性能發生質變，呈現出許多既不同于宏觀物體，也不同于單個孤立原子的奇異現象。在空氣中，鋅、銅、鉍、錫和鉛，其表面都形成相應的氧化物。

納米膠囊的外殼具有許多功能，如：保護內核免受環境的破壞；增加納米團簇的穩定性以避免其長大；促進納米顆粒在不同介質中的分散性；增加物質的活性；改變內核的光學、電學、磁學性質等。

中國專利200810013327.7提供了金屬和異質金屬氧化物微米粉為原料包覆異質金屬“核/殼”型納米粒子的合成方法;中國專利20031012369.1提供了一種納米粉體制備的通用技術，將負氧平衡碳源炸藥與反應物按一定比例混合，按預定方式起爆，來制備納米粉體，美國專利7，422，620，提供了一種用化學方法制備銅的納米顆粒，但這些方法都不能直接用來以氧化物為原料，直接制備銅、鋅、鉍、錫和鉛的納米膠囊。

發明內容

本發明的目的是提供一種金屬納米膠囊的制備方法，該方法彌補了已有技術的不足，其特征是以金屬氧化物粉為原料，并壓制成塊體放置在導電的坩鍋上和坩堝一起為陽極，如坩鍋為石墨或銅制成，陰極為石墨或鎢。酒精或酒精和氫氣作為還原劑，利用等離子體為熱源，在氧化物的熱解、電離、還原、蒸發和冷凝的過程中制備金屬納米膠囊。所得材料是由納米級的金屬為核，外面包裹該金屬的氧化物組成的納米膠囊，由于氧化物外殼的存在有效的提高納米膠囊的耐氧化性。

本發明具體提供了一種用金屬氧化物為替代陽極制備金屬納米膠囊的方法，其特征在于：采用陰、陽極在工作氣體下電弧放電產生等離子體的方法制備金屬納米膠囊，其中陽極為金屬氧化物粉末壓成的塊體和坩鍋，具體工藝為：

將由金屬氧化物粉末壓成的塊體，置于能導電的坩鍋上，先以坩鍋為陽極與陰極之間放電，使之產生高溫電弧，使金屬氧化物熱解、電離而導電，再以金屬氧化物塊體為替代陽極，與陰極之間放電，使金屬氧化物分解還原，產生金屬蒸氣，再冷凝，制備出金屬納米膠囊粉末。

本發明所述用金屬氧化物為替代陽極制備金屬納米膠囊的方法，其特征在于：所述坩鍋為石墨坩鍋或銅坩鍋，陰極為石墨電極或鎢電極，以氬氣為工作氣體，工作氣壓不超過10⁵Pa，用電弧放電產生等離子體，放電電壓不低于8V，使金屬氧化物粉末壓成的塊體熱解、電離、還原和冷凝，制備出金屬納米膠囊。

本發明所述用金屬氧化物為替代陽極制備金屬納米膠囊的方法，其特征在于：在電弧放電前充入氬氣不低于2000Pa。

本發明所述用金屬氧化物為替代陽極制備金屬納米膠囊的方法，其特征在于：采用酒精或酒精和氫氣的混合氣作為還原劑。

本發明所述用金屬氧化物為替代陽極制備金屬納米膠囊的方法，其特征在于：金屬氧化物粉末為氧化鋅ZnO、氧化銅CuO、氧化鉍Bi₂O₃、氧化錫SnO₂或氧化鉛PbO粉末。

本發明采用電弧放電產生等離子體的制備技術，在電弧放電過程中，電子在電場中獲得的能量U=電量×電壓，電子的電荷量為e=1.6×10^-19庫侖，當電壓V=1伏特時，因而可以得到1eV=1×1.6×10^-19庫侖×伏特=1.6×10^-19焦耳。根據溫度的微觀定義，u=3/2kT=1eV=1.6×10^-19焦耳，把玻耳茲曼常數代入便可得到電子溫度T，1eV=11600K。這僅是考慮單獨電子行為。電子能量很大、溫度很高，但數量很少。當等離子態變為正常態時，溫度驟降，這為金屬形核提供了條件。由于納米金屬粒子的粒徑小、比表面大，在空氣中被氧化，形成氧化物外殼，即所說的金屬納米膠囊。

金屬氧化物粉末壓成的塊體后，電阻很大，是絕緣體或半導體，在氬氣中，開始電弧放電產生等離子體的電流并不通過金屬氧化物的靶，但由于這時的電弧等離子體的溫度很高，所以金屬氧化物迅速熔化，熱解，并通過電流。當用石墨坩鍋，碳電極，充入氬氣或氬氣和還原氣體氫及乙醇(C₂H₅OH)，在金屬氧化物熱解后，就可導電，金屬氧化物粉末壓成的塊體則成為陽極，接著被還原成金屬并蒸發，然后冷凝在水冷壁上或收集室中。