CN101380596B - 用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备纳米材料的方法,该方法是:将3~20ml共溶剂与50~500mg金属前驱物配制成溶液,并将该溶液和磁搅拌子放入反应器底部;在反应器中放置载体50~500mg,载体与反应器底部留有一定的距离;在50℃~250℃下保温1h后,通入CO2至压力10~40MPa,进行磁搅拌,反应1~24h后,缓慢泄压;取出反应器内反应后物质的样品,在400℃下焙烧12h,得到金属氧化物/载体复合材料;在350℃~550℃下,用H2还原金属氧化物,得到金属/载体的纳米复合材料。本发明有益效果是:制备成本降低,环境污染减少,所制备的纳米复合材料中金属纳米粒子粒径小、分散均匀且金属负载量大。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备纳米材料的方法,尤其涉及一种用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法。
背景技术
纳米复合材料的特性体现为纳米粒子的量子尺寸效应、体积效应、表面与界面效应、局域场效应。这些效应将会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有显著不同。因此,纳米复合材料的研究已经成为各国科技界及产业界关注的热点。
目前,制备金属/介孔材料催化剂有一系列的物理和化学方法,如浸渍、沉积-沉淀、共沉淀法、超声电化学还原、化学蒸汽注入、溶胶-凝胶以及微乳生成法,这些方法在控制颗粒大小尺寸、分布以及金属含量方面还不成熟。例如:传统的注入,沉积-沉淀和共沉淀法使用液体溶剂作为介质,不但会引起粒子的团聚而且由于液体的表面张力存在致使支撑结构坍塌断裂。传统的溶胶-凝胶法可以在不同类型的多孔材料内部合成金属纳米粒子,但是溶液中的前驱物会干预到聚合化学反应致使材料具有一些不良特性,此外,用溶胶凝胶法在聚合物基材上沉积金属比较困难。油包水微乳液法用到表面活性剂,表面活性剂会直接影响到基材与粒子的作用力,而且表面活性剂在移除时,需要高温,很容易导致粒子团聚现象。化学气相沉积(CVD)法也是一种制备担载纳米金属材料的方法,但是,它受到前驱物蒸汽压、实验温度以及质量传递限制。为了克服CVD法的缺点,美国麻州大学的Watkins提出了化学流体沉积技术(CFD)制备纳米材料(如在半导体表面镀金属膜)。虽然解决了CVD法金属含量低的问题,但CFD法需要的操作温度仍很高。为此进一步发展出以超临界流体为介质的超临界流体沉积法(SFD)。之后,有几个实验室纷纷开展相关研究工作,如爱达荷大学的Wei、日本学者Wakayama、康涅狄克大学的Erkey、中科院化学所韩布兴等。尽管研究的体系中金属部分涉及到Pd、Pt、Au、Ag、Cu、Ru、Rh等,载体部分涉及到硅材和碳材等,但所用前驱物为有机金属化合物,价格昂贵、有毒等,限制了推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法,可以在温和条件下(主要指低温环境)实现低成本、规模化、可控制地制备纳米复合材料。
为了达到上述目的,本发明的技术方案如下:
用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法,包括如下步骤:
将3~20ml的共溶剂与50~500mg的无机盐前驱物配制成溶液,并将配制好的溶液和磁搅拌子放入反应器底部;
在反应器中放置载体50~500mg,载体与反应器底部留有避免载体与共溶剂相接触的距离;
在50℃~250℃下保温1h后,通入CO2至压力10~40MPa,进行磁搅拌,反应1~24h后,缓慢泄压;
取出反应器内反应后物质的样品,在400℃下焙烧12h,得到金属氧化物/载体复合材料;
在350℃~550℃下,用H2还原金属氧化物,得到金属/载体的纳米复合材料。
上述的共溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、正己烷、甲苯、二甲苯、乙腈等有机溶剂,所述的无机盐前驱物为硝酸铜、硝酸银、氯化钴等无机盐,所述的载体为无机非金属介孔材料,如:SBA-15、MCM-41、纳米碳管、碳气凝胶;或者聚合物等;所述的共溶剂溶于SCCO2中,若无机盐前驱物易溶于SCCO2,则无需加入共溶剂;所述基材与无机盐前驱物的质量比为1∶1~1∶3;所述泄压的速度保持在0.05~0.35MPa/min之间;所述样品焙烧在马弗炉中进行,采用程序升温控制,由室温升至300~600℃需要4~8h,保温6~8h后,自然冷却至室温;所述还原是在350~550℃、H2流速10~30ml/min条件下还原2~4h,采用程序升温控制,升温1h,维持1~3h,即可得到金属纳米粒子/载体或金属纳米线/载体或金属纳米棒/载体等形式的复合材料。
本发明的有益效果如下:
1)本发明以SCCO2为溶剂,少量有机溶剂为共溶剂制备纳米复合材料,避免使用大量的化学试剂及表面活性剂;
2)本发明用廉价的无机盐代替价格昂贵、有毒的有机金属化合物,降低成本,避免环境污染;
3)本发明利用合适的溶剂作为共溶剂,解决了无机盐在SCCO2中的溶解度;
4)本发明制备的纳米复合材料,金属纳米粒子粒径小、分散均匀且金属负载量大。
附图说明
图1是本发明制备的复合材料在孔道内担载纳米粒子的TEM图像。
图2是本发明制备的复合材料在不同条件下孔道内长纳米线的TEM图像。
具体实施方式
本发明用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法,是指用无机盐如:硝酸铜、硝酸银、氯化钴等为前驱物,以无机非金属介孔材料如:SBA-15、MCM-41、碳纳米管、碳气凝胶等或者聚合物为基材,利用超临界CO2(SCCO2)为溶剂,适当的有机溶剂如:甲醇、乙醇、乙二醇、丙酮、正己烷、甲苯、二甲苯、乙腈等为共溶剂,在SCCO2和共溶剂的作用下,借助于适当的搅拌如:磁搅拌、机械搅拌、超声波振荡等促使无机盐溶解于超临界溶液中。由于SCCO2表面张力为零以及优良的扩散特性,可以将溶解于其中的无机盐输送到多孔材料的孔道内。经过一定时间反应结束后,只要缓慢泄压(即控制泄压速度),就可以很容易地将CO2脱除,被输送至载体孔道中的无机盐会因为CO2脱除而析出并沉积在孔道内。
将得到的复合材料在空气中通过高温焙烧和高温下氢气还原,即可制备成具有一定形状、一定尺寸和尺寸分布的纳米复合材料,如:纳米线、纳米棒、纳米颗粒等。经XRD、TEM等表征发现,负载的纳米金属分散均匀、纳米颗粒尺寸小、尺寸分布窄、金属负载大,金属粒径达几纳米,纳米线长度可达几微米。
通过合理调节操作压力、温度、沉积时间、前驱物和基材(即载体)摩尔比、共溶剂种类和添加量、还原条件等,可以方便地实现纳米复合材料,如:纳米线、纳米棒、纳米颗粒等的可控制备。
实施例一
称取0.05g Cu(NO3)2·3H2O为前驱物,加无水乙醇3ml,将Cu(NO3)2·3H2O溶于无水乙醇配成溶液,倒入反应器中。称量载体SBA-15质量0.05g,放入反应器中,保证载体与反应器底部有一定距离。密封反应器,打开烘箱加热到50℃,1小时后,往反应器中注入CO2至压力为23MPa,维持此状态1小时。缓慢泄压,泄压结束后,取出样品Cu(NO3)2/SBA-15放入烘箱中干燥24h。将样品放入马弗炉中400℃下焙烧12h,得到金属氧化物/载体形式的复合材料。再将焙烧后的样品放入石英玻璃管中,温度为550℃,通入H2还原,得到负载铜的纳米复合材料。
实施例二
称取0.5g Cu(NO3)2·3H2O为前驱物,加无水乙醇3ml,将Cu(NO3)2·3H2O溶于无水乙醇配成溶液,倒入反应器中。称量载体SBA-15质量0.5mg,放入反应器中,保证载体与反应器底部有一定距离。密封反应器,打开烘箱加热到60℃,2小时后,往反应器中注入CO2至压力为28MPa,维持此状态10h。缓慢泄压,泄压结束后,取出样品Cu(NO3)2/SBA-15放入烘箱中干燥24h。将样品放入马弗炉中350℃下焙烧15h,得到金属氧化物/载体形式的复合材料。再将样品放入石英玻璃管中,温度为550℃,通入H2还原,得到负载铜的纳米复合材料。
实施例三
称量前驱物AgNO3质量为0.03g,量取无水乙醇3ml,将AgNO3溶于无水乙醇配成溶液,倒入反应器中。称量载体SBA-15质量0.03g,放入反应器中,保证载体与反应器底部有一定距离,密封反应器。打开烘箱加热到50℃,1h后,往反应器中注入CO2至压力为18MPa,维持此状态1h。缓慢泄压,泄压结束后,取出样品AgNO3/SBA-15放入烘箱中干燥一夜。将样品放入马弗炉中焙烧12h,温度为400℃,得到金属氧化物/载体形式的复合材料,再将样品放入石英玻璃管中,温度为400℃,通入H2还原,得到负载银的纳米复合材料。
实施例四
称量前驱物AgNO3质量为0.2g,量取无水乙醇5ml,将AgNO3溶于无水乙醇配成溶液,倒入反应器中,称量载体SBA-15质量0.2g,放入反应器中,保证载体与反应器底部有一定距离,密封反应器,打开烘箱加热到65℃,1h后,往反应器中注入CO2至压力为25MPa,维持此状态1h,缓慢泄压,泄压结束后,取出样品AgNO3/SBA-15放入烘箱中干燥一夜,将样品将入马弗炉中焙烧12h,温度为400℃,得到金属氧化物/载体形式的复合材料,再将样品放入石英玻璃管中,温度为400℃,通入H2还原,得到负载银的纳米复合材料。
实施例五
为了进行样品的晶相鉴定和相貌观察,使用透射电子显微镜(JEOL 2000EX)对样品进行表征,测定结果见图1和图2。图1为在孔道内担载纳米粒子的TEM图像,左图右上角图形为局部放大图,由此图可以清晰地观察到纳米粒子被沉积在载体的孔道内。图2为不同条件下,在孔道内长纳米线的TEM图像,左右两图像均可以看出,纳米线会随孔道形状变化,并顺着孔道取向生长。
由上述可知,本发明公开了在温和条件下(主要指低温环境)实现低成本、规模化、可控制地制备纳米复合材料的方法,以SCCO2为溶剂,选择合适的共溶剂,以廉价的无机盐为前驱物,介孔材料为载体,充分利用超临界CO2的溶剂特性,零表面张力、高扩散性,将前驱物溶解并运输到基材或多孔材料的孔道内部,经过简单的卸压、还原处理,即得到负载金属的纳米复合材料。经表征发现,纳米粒子嵌在纳米孔道内部,粒子分散均匀,负载的金属量较多,纳米粒子的粒径可达几纳米,纳米线长度可达几微米,沉积后没有破坏介孔材料的纳米结构。
Claims (5)
1.用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
将3~20ml的共溶剂与50~500mg的无机盐前驱物配制成溶液,并将配制好的溶液和磁搅拌子放入反应器底部;
在反应器中放置载体50~500mg,载体与反应器底部留有避免载体与共溶剂相接触的距离;
在50℃~250℃下保温1h后,通入CO2至压力10~40MPa,进行磁搅拌,反应1~24h后,缓慢泄压;
取出反应器内反应后物质的样品,在400℃下焙烧12h,得到金属氧化物/载体复合材料;
在350℃~550℃下,用H2还原金属氧化物,得到金属/载体的纳米复合材料;
所述的无机盐前驱物为硝酸铜或硝酸银或氯化钴;所述的载体为SBA-15或MCM-41或碳气凝胶;
所述的共溶剂为甲醇或乙醇或乙二醇或丙酮或正己烷或甲苯或二甲苯或乙腈。
2.如权利要求1所述的用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法,其特征在于,所述的共溶剂溶于超临界二氧化碳中。
3.如权利要求1所述的用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法,其特征在于,所述载体与无机盐前驱物的质量比为1∶1~1∶3。
4.如权利要求1所述的用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法,其特征在于,所述的缓慢泄压的泄压速度保持在0.05~0.35MPa/min之间。
5.如权利要求1或4所述的用廉价无机盐为前驱物制备纳米复合材料的超临界流体沉积方法,其特征在于,所述金属/载体的纳米复合材料为金属纳米粒子/载体或金属纳米线/载体或金属纳米棒/载体形式的复合材料。
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