本發(fā)明具體涉及一種金屬氧化物納米球的制備方法。
背景技術:
納米技術是當前人類前沿科學的熱點,納米材料由于其小尺寸、高表面能和大比表面積等特點,使得它們表現(xiàn)出常規(guī)塊體材料所不具備的一些特殊性質(zhì),比如小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應、介電限域效應和宏觀量子隧道效應等。金屬氧化物納米材料可應用于催化劑、精細陶瓷、復合材料、磁性材料、熒光材料、濕敏性傳感器及紅外吸收材料,在化工、電子、食品、生物、醫(yī)學等領域有著廣闊的應用前景。為此,金屬氧化物納米材料的制備技術成為研究熱點。當前,科技工作者已研發(fā)出多種多樣的金屬氧化物納米材料制備方法,從生成環(huán)境上大體上可分為固相法、液相法和氣相法,具體到技術應用,又包括溶膠-凝膠法、醇鹽水解法、強制水解法、溶液的氣相分解法、濕化學合成法、微乳液法、激光技術、微波輻射技術、超聲技術、交流電沉積技術、超臨界流體干燥技術、非水溶劑水熱技術等等。然而,現(xiàn)有技術存在反應試劑有毒有害、成本高、操作工序復雜、生成物不穩(wěn)定等缺陷,限制其進一步推廣應用,特別是材料量產(chǎn)的使用。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明要解決的技術問題,在于提供一種金屬氧化物納米球的制備方法。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:一種金屬氧化物納米球的制備方法,包括以下內(nèi)容:在一電解槽中,陽極為pt片,陰極為金屬絲,電解液采用高導電性鹽溶液,陽極和陰極浸入電解液的面積比為陽極:陰極=20:1;
采用連續(xù)可調(diào)的大功率直流穩(wěn)壓電源,通過逐步加大電壓,在陰極形成等離子放電,同時在溶液中形成沉淀物,將沉淀物進行提純,即得到金屬氧化物納米球。
進一步地,所述陰極為所述金屬氧化物納米球所對應的金屬材料。
進一步地,所述電解液為3mol/l的nh4no3溶液。
進一步地,所述直流穩(wěn)壓電源的電壓在0-200v之間可進行連續(xù)調(diào)整,最大電流為10a。
進一步地,所述通過逐步加大電壓,在陰極形成等離子放電,具體為:
電壓從開路電壓值開始,以1v/s的速率增加,最后將端電壓穩(wěn)定在100v進行放電。
本發(fā)明的優(yōu)點在于:無有毒有害化學試劑參與,成本低廉,操作簡單,材料產(chǎn)率高,可拓展性強,在工業(yè)量產(chǎn)中應用前景廣闊。
附圖說明
下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
圖1是本發(fā)明中電解裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中tio2納米球整體(a)和直徑為2.7μm單一顆粒(b)的sem圖。
圖3是本發(fā)明中tio2納米球的xrd圖。
圖4是本發(fā)明中tio2納米球的edx圖譜。
具體實施方式
請參閱圖1所示,一種鈦氧化物納米球的制備方法,由一個大功率直流穩(wěn)壓電源和一個電解槽組成電解裝置,電源的電壓可在0-200v之間進行連續(xù)調(diào)整,最大可承受電流為10a。陽極采用pt片,防止陽極在放電過程中被溶解,陰極為制備鈦氧化物納米球所對應的金屬絲即ti絲,純度為99.9%。陽極浸入電解液中的表面積應盡可能大于陰極,兩極的表面積比約為20:1,電解液采用3m的nh4no3溶液。電解槽兩端的電壓從開路電壓值(約0v)開始,以1v/s的速率增加,常溫下,當端電壓達到25v左右時,陰極開始放電,端電壓隨即跳變到一個較高值90v,通過調(diào)節(jié)電源將端電壓穩(wěn)定在100v左右進行放電。隨著放電的進行,電解液變得渾濁,電解槽底部出現(xiàn)明顯的沉淀,實驗結(jié)束后,將沉淀進行反復地離心提純,即得鈦氧化物納米球。
制得的tio2納米球,其形貌的掃描電子顯微鏡(sem)照片如圖2所示,sem圖顯示這些球形顆粒的直徑從100nm以下到幾百個微米不等,其中納米級的顆粒占據(jù)絕大多數(shù),平均尺寸約在500nm左右。
本發(fā)明使用x射線衍射譜(xrd)和x射線能譜儀(edx)對顆粒tio2納米球的成分進行表征,結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3的xrd圖譜顯示納米球由三種類型的tio2相組成,分別為金紅石相,銳鈦礦相,以及缺氧相。其中,缺氧相的成分可能為ti10o19,ti5o9或者ti3o5這類相比于常規(guī)化學計量的tio2存在氧原子空缺的物相。圖4的edx圖譜分別給出了顆粒樣品置于洗凈硅片上(標識a所指代的曲線)和無樣品存在情況下的洗凈硅片(標識b所指代的曲線)的基底圖譜。通過兩者的對比可以發(fā)現(xiàn),球形顆粒主要由ti和o兩種元素組成,從而證實所得到的產(chǎn)物為tio2納米球。
其他實驗條件與上述制備tio2納米球相同,采用不同的陰極材料,可以得到不同的金屬氧化物納米球,如以al絲作為陰極,可得到以al2o3為主要成分的納米球,以cu絲作為陰極,可得到cu2(oh)3no3納米球,以fe絲作為陰極,可得到feo、fe2o3、fe3o4混合成分的鐵氧化物納米球。由此可知,本發(fā)明對制備金屬氧化物納米球具有普遍的適用性和可擴展性。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1、方法簡單、便捷、環(huán)保,所采用的裝置結(jié)構(gòu)簡單,成本低廉,制備操作過程方便,未使用有毒有害化學試劑;
2、納米球制備產(chǎn)量大,如上述實驗中tio2納米球的制備產(chǎn)量可達到50mg/min;
3、本發(fā)明對熔點不高的金屬具有普遍適用性,可擴展性強,采用ti、al、cu、fe等不同的金屬陰極材料,可以得到不同的金屬氧化物納米球。
4、本發(fā)明是一種行之有效的金屬氧化物納米球制備及摻雜改性手段,實驗發(fā)現(xiàn),等離子放電高溫所溶解形成的金屬顆粒進入到電解液時的淬火作用,對于納米球的最終成分和結(jié)構(gòu)起到了重要的改性和摻雜作用。溶液中的成分,易于在淬火過程中被結(jié)合到納米球中,比如cu絲作為陰極,nh4no3作為電解液時,生成的納米球成分為cu2(oh)3no3而非cuo。通過改變電解液成分,可以對生成的金屬氧化物成分和結(jié)構(gòu)進行摻雜改性,這種摻雜改性可提高金屬氧化物納米球的光響應特性、催化特性等。