CN103008684A - 大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法。包括以下步骤：(1)将液态的金属盐或氢氧化物组分放在绝缘性材料的容器中，并置于两个电极之间，放电气氛为惰性气体；(2)在两个电极上施加100V-1KV的直流电压，处理3-30分钟，即可制备出不同浓度、不同粒径的金属纳米颗粒。本发明采用的大气压冷等离子体还原方式，具有低温、常压、低能耗、分解过程迅速、对环境友好等特点，获得的金属纳米颗粒粒径均一，可稳定悬浮于水溶液中。
Description
技术领域
本发明属于纳米粉体制备领域，特别涉及一种大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法。
背景技术
等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。等离子体可分为不同的类别：按热力学平衡分类，等离子体可分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体；按系统温度可分为冷等离子体和热等离子体。热平衡等离子体中所有粒子的温度都一样，宏观上表现为热等离子体。在非热平衡等离子体中，电子的温度可高达数万度，而离子和中性粒子的温度远小于电子温度，整个体系呈现低温状态，所以称为冷等离子体或低温等离子体。通常射频或微波产生的冷等离子体都需要在高气压下才可以工作，但当等离子体装置尺寸达到微米级别时，等离子体可在大气压下产生。大气压冷等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的科学与工程，现已被广泛的应用于半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀等领域。
金属纳米材料因具有表面效应和量子尺寸效应而呈现出不同于体相材料的光学、电磁学以及化学等特性，这些特性在材料科学、电磁学以及生命科学等领域显示出广泛的应用前景。目前，液相还原法成为金属纳米颗粒合成的主导方法。但液相还原法往往需要几个小时，同时纳米颗粒的粒径、稳定性也很难控制。此外，液相还原法中会使用硼氢化钠等有毒的化原剂，对环境造成污染。
本发明采用大气压冷等离子体代替传统的液相还原法产生金属纳米颗粒。和传统液相还原法相比具有以下特点：利用等离子体产生的电子还原金属离子，可得到粒径均一、稳定性的好的纳米粒子；此方法简单、快速，一旦等离子体被激发，即可产生金属纳米粒子；产生等离子体的装置可以为任何材料的中空管状结构的导电性材料，整个装置在大气压下工作；处理对象为常见的金属盐或氢氧化物，具有广泛的处理对象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法，包括如下步骤：
(1)将金属盐或氢氧化物配置成相应的浓度，并放入不导电介质材料的容器中，放电气体为氩气、氦气等惰性气体以及这些惰性气体与氧气的混合气体；
(2)在两个电极上(等离子体装置构成的阴极与惰性电极构成的阳极)施加100V-1KV的直流电压，处理3-30分钟，即可制备出不同粒度、不同浓度的金属纳米颗粒；
所述的等离子体装置采用中空管状结构，可以是任意材料的导电金属，如铜、铝、不锈钢材料等。
所述的金属盐或氢氧化物包括金属的碳酸盐、硝酸盐、氯化物、碱式碳酸盐或氢氧化物或者上述物质的混合物。
所述的惰性电极可以是任意材料与形状的惰性材料，如玻碳电极、铂片、铂丝、碳棒等。
本发明采用的大气压冷等离子体还原方式，与液相还原法相比，具有以下特点：1)产生纳米颗粒粒径均一，稳定性能好，制备的金属粒子直径为12-15nm；2)简单、快速，只需要3-5分钟即可得制得大量纳米粒子；3)环境友好，代替有毒的还原剂，利用电子还原金属离子。
附图说明
图1：大气压冷等离子体设备示意图；
图2：硝酸银溶液经大气压冷等离子体处理后产生的银纳米颗粒的能谱图；
图3：硝酸银溶液经大气压冷等离子体处理后产生的银纳米颗粒透射电镜图；
图4：氯金酸溶液经大气压冷等离子体处理后产生的金纳米颗粒的能谱图；
图5：氯金酸溶液经大气压冷等离子体处理后产生的金纳米颗粒透射电镜图；
图6：氯化铁与氯化亚铁混合溶液经大气压冷等离子体处理后产生的四氧化三铁纳米颗粒的X-射线光谱图；
图7：氯化铁与氯化亚铁混合溶液经大气压冷等离子体处理后产生的四氧化三铁纳米颗粒透射电镜图；
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
图1为本发明的处理装置结构图。包括直流电源1，电阻2，等离子体气体源3，等离子体装置4，惰性电极5，等离子体火焰6，金属盐或氢氧化物溶液7以及用于盛放溶液的绝缘性容器8.
等离子体装置4为中空管状结构，直径为微米级，可采用任何导电性的金属材料。
高压电源1加在惰性电极5与等离子体装置4之间，所用的电压范围为100V-1KV，等离子装置4与溶液7液面相距3-5mm。
所用的高压电源1为负高压，一旦等离子体被激发，溶液中形成通路。阴离子在惰性电极5附近失去电子，金属阳离子在等离子体火焰6下被还原生成零价态，纳米颗粒成核，聚集。
实施例1：
银纳米颗粒合成：将AgNO3溶液20mL放于容器内，等离子体装置内通入氩气，在电极上施加400V的电压，用等离子体处理5分钟。
实施例2：
金纳米颗粒合成：将氯金酸溶液20mL放于容器内，等离子体装置内通入氩气，在电极上施加400V的电压，用等离子体处理5分钟。
实施例3：
四氧化三铁纳米颗粒合成：将氯化铁与氯化亚铁混合溶液20mL，用NaOH调节pH到5.0，放于容器内，等离子体装置内通入氩气，在电极上施加400V的电压，用等离子体处理5分钟。
下面通过试验结果来进一步验证本发明的先进性：
本发明所涉及的大气压冷等离子体法能快速有效的还原金属盐或氢氧化物，样品在等离子体处理前为金属盐的颜色，分解后，转变为纳米颗粒的颜色(金纳米颗粒因为有共振吸收，所以呈现淡红色，其它纳米颗粒均为黑色)。如图2所示的能谱图显示硝酸银溶液经等离子体处理后产生的银纳米颗粒的成份，其中的Cu，C峰为支持银纳米颗粒的铜网的成份；图3所示为银纳米颗粒的透射电镜图形，显示处理后得到直径12nm左右的圆形银纳米颗粒；图4所示的能谱图显示氯金酸溶液经等离子体处理后产生的金纳米颗粒的成份；图5所示为金纳米颗粒的透射电镜图形，显示处理后得到直径为12nm左右的圆形金纳米颗粒；图6所示为氯化铁与氯化亚铁混合溶液经等离子体处理后产生的四氧化三铁纳米XRD(X-射线)图谱，显示该纳米颗粒的晶体结构为面心立方结构的四氧化三铁；图7所示为四氧化三铁纳米颗粒的透射电镜图形，显示处理后得到直径为15nm左右的磁性四氧化三铁纳米颗粒。
Claims (4)
1.一种大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法，包括气体源、直流电源、电阻、等离子体装置、惰性电极、等离子体火焰、金属盐或氢氧化物溶液以及用于盛放溶液的绝缘性容器。其特征在于：制备方法包括如下步骤：
(1)将金属盐或氢氧化物组分放在绝缘性材料的容器中，并置于两个电极之间，放电气氛为惰性气体；
(2)在两个电极上施加100V-1KV的直流电压，处理3-30分钟，即可制备出不同浓度、不同粒径的金属纳米颗粒。
2.如权利1所述的一种基于大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于：采用双电极构造，惰性电极构成阳极，等离子体构成阴极。
3.如权利1所述的一种基于大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于：所述的等离子体装置为中空管状结构的导电性材料。
4.如权利1所述的一种基于大气压冷等离子体方式制备金属纳米颗粒的方法，其特征在于：所述的金属盐或氢氧化物包括金属的碳酸盐、硝酸盐、氯化物、碱式碳酸盐或氢氧化物或者上述物质的混合物。
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