CN102925933B - 一种Au-FeNi两段式合金纳米马达及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Au-FeNi两段式合金纳米马达及其制备方法，用喷镀铜的氧化铝多孔无机膜作为模板，在其微孔中依次沉积铜牺牲层、预镀金层、沉积金层，最后沉积铁镍合金层制备纳米马达；利用混合燃料(H2O2和N2H4)为纳米马达提供动力。本发明的Au-FeNi两段式合金纳米马达与经典的Au-Pt纳米马达相比，使用了成本低廉的铁镍合金组分代替了Pt组分；该铁镍合金纳米马达在H2O2和N2H4混合燃料中的运动速度比Au-Pt纳米马达在单一燃料中的运动速度快了5~10倍。

Description

一种Au-FeNi两段式合金纳米马达及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料合成领域，具体涉及一种Au-FeNi两段式合金纳米马达及其制备方法。
背景技术
早在半个世纪前，著名物理学家费曼提出了实现类似汽车的纳米马达的可能性。而人工设计合成催化性纳米马达的探索，最早可以追溯到2002年，Ismagilov等首次将铂催化产气提供推动力的概念引入自动运动装置的设计当中。在2004年，宾西法利亚州立大学的Mallouk和Sen两位教授领导的研究小组在此基础上进一步发展，设计出结构更加简易的自动运动纳米棒，系统的阐述了微/纳米级金-铂两段式纳米棒的合成方法，并发现该纳米棒能够在过氧化氢溶液中展现出高速运动的能力，成为非生物人工合成纳米马达的开端。
为了更深入研究人工合成纳米马达的组分，形状，动力来源，催化机理，研究人员相继报道了：金-铑纳米棒马达，铂-钌纳米棒马达等；微管状引擎；磁力驱动柔韧的金属纳米棒马达；光催化银-氧化锌纳米棒马达等。公开发表的论文有：Small 2011, 7, 2709~2713；ACS Nano. 2010, 4, 1799~1804；J. Am. Chem. Soc.2010, 132, 11403；NANO Lett. 2011, 11, 2083~2087。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Au-FeNi两段式合金纳米马达及其制备方法，该制备方法具有成本低廉、适用性强、稳定性好、能量转化效率高、重现性好等优点。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Au-FeNi两段式合金纳米马达的制备方法，用喷镀铜的氧化铝多孔无机膜作为模板，在其微孔中依次沉积铜牺牲层、预镀金层、沉积金层、最后沉积铁镍合金层，去除铜层，溶解氧化铝无机膜，释放纳米马达。
所述的沉积铜牺牲层的溶液为0.20 M~0.60 M的硫酸铜溶液；沉积铜牺牲层的条件为：pH：6.0~8.0；电流密度：0.10 A/dm2~0.50 A/dm2；温度：10℃~40℃。
所述的预镀金层所用的镀液的成分为氯金酸、丁二酰亚胺、氨三乙酸和磷酸二氢钾，其中氯金酸的浓度为0.01 M~0.20 M，丁二酰亚胺的浓度为0.05 M~0.50 M，氨三乙酸的浓度为0.05 M~0. 50 M，磷酸二氢钾的浓度为0.10 M~0.50 M；预镀金层的条件为：pH：6.0~8.0；电流密度：0.50 mA/dm2~3.0 mA/dm2；温度：10℃~40℃。
所述的沉积金层所用的镀液为0.01 M~0.50 M的氯金酸溶液；沉积金层的条件为：pH：0.5~3.0；电流密度：5.0 mA/dm2~30 mA/dm2；温度：10℃~40℃。
所述的沉积铁镍合金层所用的镀液的成分为硫酸亚铁、硫酸镍、硼酸和柠檬酸三钠，其中硫酸亚铁的浓度为0.05 M~0.50 M，硫酸镍的浓度为0.05 M~0.50 M，硼酸的浓度为0.05 M~0.50 M，柠檬酸三钠的浓度为0.05 M~0.50 M；沉积铁镍合金层的条件为：pH：5.0~9.0；电流密度：0.10 A/dm2 ~0.50 A/dm2；温度：10℃~40℃。
为Au-FeNi两段式合金纳米马达提供动力的双组分燃料组分为质量分数为0.50%~30%的过氧化氢和物质的量浓度为0.001 M~0.10 M的肼。
一种如上所述的方法制得的Au-FeNi两段式合金纳米马达为线状纳米棒，长度为2μm~9μm，在过氧化氢和肼的混合溶液中能够快速且持久地运动。
本发明的有益效果：本发明第一次将铁镍合金作为催化性金属组分，首次将肼和过氧化氢混合液作为燃料溶液，且两者缺一不可。本发明操作简单，成本低，而且所制得的纳米马达既适合于燃料驱动也适合于磁力驱动（铁镍合金具有磁性），是将两种机制集于一身的纳米棒马达。本发明的Au-FeNi两段式合金纳米马达与经典的Au-Pt纳米马达相比，使用了成本低廉的铁镍合金组分代替了Pt组分；该铁镍合金纳米马达在H2O2和N2H4混合燃料中的运动速度比Au-Pt纳米马达在单一燃料中的运动速度快了5~10倍。
附图说明
图1是将纳米马达的水溶液滴在玻片上，烘干，置于金相显微镜下，放大1000倍后，用数码相机拍摄的纳米马达静态图。图中标尺的每一小格为1μm，图中纳米棒的长度约为7μm。
具体实施方式
本发明提出了Au-FeNi两段式纳米马达的制备。
所用模板为多孔性氧化铝无机膜，在多孔性氧化铝膜上喷镀一层铜，使之作为模板。用硫酸铜溶液沉积铜层作为牺牲层；接下来在金预镀液中预镀金层，防止氯金酸与铜发生置换反应；然后在氯金酸溶液中沉积金层，作为纳米马达的金组分；最后在硫酸亚铁、硫酸镍、硼酸和柠檬酸三钠等的混合溶液中沉积FeNi合金层。在上述电沉积过程结束后，将铜牺牲层溶解，然后在NaOH溶液中溶解氧化铝模板，释放出纳米棒马达。最后离心并用二次水清洗，重复多次直至中性，得到Au-FeNi合金纳米马达。
一些制作实施例如下：
制备两段式Au-FeNi纳米马达所需要的实验条件为：工作电极为喷镀铜牺牲层的氧化铝多孔性无机膜，辅助电极为铂丝电极，参比电极为Ag/AgCl电极。
实施例1
沉积铜的镀液组成：
硫酸铜                               0.20 M；
电流密度                             0.30 A/dm2；
pH                                   7.0；
温度                                 10℃；
预镀金镀液组成：
氯金酸                               0.02 M；
丁二酰亚胺                           0.10 M；
氨三乙酸                             0.10 M；
磷酸二氢钾                           0.20 M；
电流密度                             0.8 mA/dm2；
pH                                   7.0；
温度                                 10℃；
沉积金镀液组成：
氯金酸                               0.08 M；
电流密度                             8.5 mA/dm2；
pH                                   1.1；
温度                                 10℃；
沉积铁镍合金层镀液组成：
硫酸亚铁                             0.09 M；
硫酸镍                               0.09 M；
硼酸                                 0.48 M；
柠檬酸三钠                           0.06 M；
电流密度                             0.17 A/dm2；
pH                                   6.0；
温度                                 10℃；
按照具体实施方式中的沉积步骤和纳米棒释放步骤进行操作，结果可得Au-FeNi纳米棒，在过氧化氢和肼的混合燃料中运动速度可达100 um/s~150 um/s。
实施例2
沉积铜层镀液组成：
硫酸铜                               0.25 M；
电流密度                             0.30 A/dm2；
pH                                   7.0；
温度                                 15℃；
预镀金层镀液组成：
氯金酸                               0.04 M；
丁二酰亚胺                           0.15 M；
氨三乙酸                             0.15 M；
磷酸二氢钾                           0.30 M；
电流密度                             1.0 mA/dm2；
pH                                   7.0；
温度                                 15℃；
沉积金层镀液组成：
氯金酸                                0.09 M；
电流密度                              10 mA/dm2；
pH                                    1.0；
温度                                   15℃；
沉积铁镍合金层镀液组成：
硫酸亚铁                              0.10 M；
硫酸镍                                0.10 M；
硼酸                                  0.50 M；
柠檬酸三钠                            0.08 M；
电流密度                              0.13 A/dm2；
pH                                    6.5；
温度                                  15℃；
按照具体实施方式中的电镀步骤和纳米棒释放步骤进行操作，结果可得Au-FeNi纳米棒，在过氧化氢和肼的混合燃料中运动速度可达100 um/s~150 um/s。
实施例3
沉积铜层镀液组成：
硫酸铜                               0.30 M；
电流密度                             0.35 A/dm2；
pH                                   7.0；
温度                                 20℃；
预镀金层镀液组成：
氯金酸                               0.06 M；
丁二酰亚胺                           0.20 M；
氨三乙酸                             0.15 M；
磷酸二氢钾                           0.35 M；
电流密度                             0.90 mA/dm2；
pH                                   7.0；
温度                                  20℃；
沉积金层镀液组成：
氯金酸                                0.10 M；
电流密度                              12 mA/dm2；
pH                                    1.0；
温度                                  20℃；
沉积铁镍合金层镀液组成：
硫酸亚铁                              0.10 M；
硫酸镍                                0.30 M；
硼酸                                  0.50 M；
柠檬酸三钠                            0.06 M；
电流密度                              0.25 A/dm2；
pH                                    7.5；
温度                                  20℃；
按照具体实施方式中的电镀步骤和纳米棒释放步骤进行操作，结果可得Au-FeNi纳米棒，在过氧化氢和肼的混合燃料中运动速度可达100 um/s~200 um/s。
实施例4
沉积铜的镀液组成：
硫酸铜                               0.35 M；
电流密度                             0.25 A/dm2；
pH                                   7.0；
温度                                 30℃；
预镀金镀液组成：
氯金酸                               0.08 M；
丁二酰亚胺                           0.25 M；
氨三乙酸                             0.20 M；
磷酸二氢钾                           0.40 M；
电流密度                             1.2 mA/dm2；
pH                                   7.0；
温度                                  30℃；
沉积金镀液组成：
氯金酸                               0.092 M；
电流密度                             1.3 mA/dm2；
pH                                   1.0；
温度                                  30℃；
沉积铁镍合金层镀液组成：
硫酸亚铁                             0.12 M；
硫酸镍                               0.36 M；
硼酸                                 0.50 M；
柠檬酸三钠                           0.06 M；
电流密度                             0.28 A/dm2；
pH                                   7.5；
温度                                  30℃；
按照具体实施方式中的电镀步骤和纳米棒释放步骤进行操作，结果可得Au-FeNi纳米棒，在过氧化氢和肼的混合燃料中运动速度可达100 um/s~200 um/s。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种Au-FeNi两段式合金纳米马达，其特征在于：用喷镀铜的氧化铝多孔无机膜作为模板，在其微孔中依次沉积铜牺牲层、预镀金层、沉积金层，最后沉积铁镍合金层制备纳米马达；
所述的预镀金层所用的镀液的成分为氯金酸、丁二酰亚胺、氨三乙酸和磷酸二氢钾，其中氯金酸的浓度为0.01 M~0.20 M，丁二酰亚胺的浓度为0.05 M~0.50 M，氨三乙酸的浓度为0.05 M~0. 50 M，磷酸二氢钾的浓度为0.10 M~0.50 M；预镀金层的条件为：
pH：6.0~8.0；
电流密度：0.50 mA/dm2~3.0 mA/dm2；
温度：10℃~40℃。
2.根据权利要求1所述的Au-FeNi两段式合金纳米马达，其特征在于：所述的沉积铜牺牲层的溶液为0.20 M~0.60 M的硫酸铜溶液；沉积铜牺牲层的条件为：
pH：6.0~8.0；
电流密度：0.10 A/dm2~0.50 A/dm2；
温度：10℃~40℃。
3.根据权利要求1所述的Au-FeNi两段式合金纳米马达，其特征在于：所述的沉积金层所用的镀液为0.01 M~0.50 M的氯金酸溶液；沉积金层的条件为：
pH：0.5~3.0；
电流密度：5.0 mA/dm2~30 mA/dm2；
温度：10℃~40℃。
4.根据权利要求1所述的Au-FeNi两段式合金纳米马达，其特征在于：所述的沉积铁镍合金层所用的镀液的成分为硫酸亚铁、硫酸镍、硼酸和柠檬酸三钠，其中硫酸亚铁的浓度为0.05 M~0.50 M，硫酸镍的浓度为0.05 M~0.50 M，硼酸的浓度为0.05 M~0.50 M，柠檬酸三钠的浓度为0.05 M~0.50 M；沉积铁镍合金层的条件为：
   pH：5.0~9.0；
   电流密度：0.10 A/dm2 ~0.50 A/dm2；
   温度：10℃~40℃。
5.根据权利要求1所述的Au-FeNi两段式合金纳米马达，其特征在于：为Au-FeNi两段式合金纳米马达提供动力的双组分燃料，其组分为质量分数为0.50%~30%的过氧化氢和物质的量浓度为0.001 M~0.10 M的肼。
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