CN105154882B

CN105154882B - 一种多孔镍的制备方法

Info

Publication number: CN105154882B
Application number: CN201510646386.8A
Authority: CN
Inventors: 肖军武; 王尚; 王帅
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: CN105154882A

Abstract

本发明公开了一种多孔镍的制备方法，包括以下步骤：在隔绝氧气环境下，向镍源通入碱性刻蚀气体，在高温下与镍源反应，使镍源表面形成多孔结构。本发明提供的多孔镍的制备方法，相比现有技术，工艺流程简单，对设备要求低，操作环境安全，采用一步法直接用碱性气体即可将原材料镍源刻蚀，即能得到纯度高的多孔镍，无需后续除杂工序。所述方法制得的多孔镍，开孔率搞，孔径均匀，适合大规模连续化的工业生产。

Description

一种多孔镍的制备方法

技术领域

本发明属于纳米多孔材料领域，更具体地，涉及一种多孔镍的制备方法。

背景技术

多孔材料是一种兼备优良的物理特性和力学性能的新型功能材料，是一种由相互贯通或封闭的孔洞以及骨架连接而成的三维网状结构。多孔材料孔隙的形状不一，大小各异，排列方式更是千姿百态，涉及的材料领域种类繁多。这些大量的内部孔隙又使多孔材料具有诸多优异的特性，使得多孔材料的用途，较之致密材料无论是在结构上还是在性能上都更为广泛。现如今材料发展的一种新趋势是，结构材料和功能材料相互渗透，即结构材料多功能化，功能材料多结构化。而多孔材料正是功能型材料和结构性材料的集大成者。孔径的存在打破了原有的致密材料结构上的限制，使其在结构上的应用更为广阔。物质的结构决定其性能，于是也提供了新的功能上的优势，使原致密材料具有更为广泛的用途。所以，多孔材料既可以很好的保留原致密材料的固有特性，同时较之致密材料，多孔材料由于孔隙的存在以及孔径大小、孔隙分布而具有一系列的功能特性，如比强度高，比表面积较大，相对密度低，渗透性好，消音效果好，电磁屏蔽能力强，质量轻等。

多孔的存在而使得材料的特性改变主要体现在以下几个方面，而每一方面的优势都能衍生出更多领域的用途。机械性能方面。可以使材料冲击韧性提高，应用于交通方面可以降低汽车在紧急刹车、碰撞等时造成的车辆损害和人员伤亡。孔隙的存在可以在保持原有的强度和刚度不变的情况下降低密度，从而减轻质量。这样，就大大有利于那些对质量的要求很苛刻的领域。比如，飞机火箭等，既可以减少原材料的投入使用又可以降低运载时的能源消耗。多孔的存在还可以改变机械波及机械性能。孔隙的存在为机械波的反射和折射提供了更多可能，也会增加衍射的可能，达到阻波的效果，从而实现了多孔材料在隔音、减震、抗爆炸冲击方面的应用。选择性渗透方面。根据现有技术，已经可以实现对某些材料的多孔化达到孔隙在大小、排列等方面的可控制造，从而制备出高效气体分离材料，以及某些可重复使用的特殊过滤装置。多孔材料增大了原有材料的比表面积，在化学能源方面可以增加电容活性材料和一些催化剂、防腐剂、表面活性剂等的单位面积的负载量，制造出燃料电池的多孔电极，催化剂、防腐剂载体等；在生物医学方面，可以增加活性酶的单位面积的负载量。基于具有分子识别功能的多孔材料而产生的人造酶,能大大提高催化反应速度。同时，在其他光电性能，选择性过滤吸附等方面也具有的卓越的应用。

多孔镍保留了镍在力学、机械强度、化学等方面的优良性能，同时兼具了多孔材料的比强度高，比表面积较大，相对密度低，渗透性好，消音效果好，电磁屏蔽能力强，质量轻等优点。拓宽了多孔镍的各方面优点的用途。

目前，较为成熟的多孔金属镍的制备工艺主要有：粉末冶金烧结(PM)法、纤维烧结法、有机海绵浸浆烧结法、自蔓延合成法、熔体发泡法、放电等离子体法、电沉积法、金属空心球法等。粉末冶金烧结法烧结多孔镍的孔隙率低，连贯性较差。用电沉积法制备得到的多孔镍孔隙率较高但比表面积很小，使得多孔镍的应用在一些对比表面积要求较高的领域限制性很大，削弱了多孔镍的优势。熔体发泡法制得的多孔镍杂质较多，孔径不均匀，是一种较为低端的制备方法，很难满足多孔镍的应用要求。放电等离子体法虽然在孔隙率，均匀性及比表面积等方面都具有优势，但是其工艺繁琐，对设备的要求很高，对孔径配比及孔隙调节能力有很大的局限，因此无法实现大量的高孔隙率的多孔镍的生产过程。金属空心球法是将金属空心球烧结粘接在一起而形成的多孔结构。金属空心球可以通过化学合成和电沉积的方法在高分子球的表面镀上一层金属，然后把高分子求去除得到。制得的多孔镍，孔隙率好，均匀性高，但是这种工艺的金属空心球局限在铜、镍、钢或者钛，会造成金属的浪费，纯度低。

综上所述，现有的多孔镍制备方法存在工艺复杂、反应条件苛刻或者制备的多孔镍开孔率低、纯度受影响、孔径不均匀的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多孔镍的制备方法，其目的在于利用碱性刻蚀气体在高温下对镍源造孔，由此解决现有技术制备多孔镍开孔率低，纯度受影响、孔径不均匀的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多孔镍的制备方法，包括以下步骤：

在隔绝氧气环境下，向镍源通入碱性刻蚀气体，在高温下与镍源反应，使镍源表面形成多孔结构。

优选地，所述的多孔镍制备方法，其所述镍源为镍片、镍泡沫、镍块、镍粉和/或镍线。

优选地，所述的多孔镍制备方法，其所述碱性刻蚀气体为NH₃和/或PH₃气体。

优选地，所述的多孔镍制备方法，其所述隔绝氧气环境为通入保护气体形成，保护气体流量在1sccm～1000sccm之间，所述碱性刻蚀气体流量在5sccm至500sccm之间。

优选地，所述的多孔镍制备方法，其所述反应条件温度控制过程如下：升温的速率在1℃/min～50℃/min之间；恒温温度在500℃～1200℃之间，恒温的时间在10min～180min之间；降温速率可以在1℃/min～50℃/min之间。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的多孔镍的制备方法，相比现有技术，工艺流程简单，对设备要求低，操作环境安全，采用一步法直接用碱性气体即可将原材料镍源刻蚀，即能得到纯度高的多孔镍，无需后续除杂工序。

(2)所述方法制得的多孔镍，开孔率搞，孔径均匀，适合大规模连续化的工业生产。

附图说明

图1A、图1B、图1C是分别为实施例1至3的镍源在反应前的扫描电镜图；

图2A、图2B、图2C是通过实施例1至3的镍源预处理后的扫描电镜图片；

图3是实施例1制得的多孔镍的扫描电镜照片；

图4是反应前的镍源和通过实施例1制得的多孔镍的X射线衍射分析对比图。通过对比图可以说明，反应前后镍源的晶型没有发生改变。注：01-070-0989是金属镍的X射线衍射分析标准卡片。

图5A对应的是实施例2制得的多孔镍的扫描电镜的照片，图5B是实施例3制得的多孔镍的扫描电镜的照片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的多孔镍的制备方法，具体操作步骤如下：

(1)预处理：对镍源进行酸洗或电抛光等工艺以除去表面的氧化层等杂质。所述镍源可为镍泡沫、镍片、镍膜、镍粉、镍块、镍线等的一种或几种混合物。酸洗所用的溶液可以是各种浓度的pH<7的溶液，抛光时间大于或等于30s。

(2)通气预热：向反应器内通入保护气体，隔绝氧气，并控制反应器内温度匀速上升。

反应器可选管式炉，便于通气；保护气体可选择惰性气体、氮气和/或氢气，其中氢气可形成还原性环境，避免镍源表面氧化，除去多余的氧气，从而提高开孔率。

(3)刻蚀开孔：将镍源置于反应器内，待其达到500℃，通入碱性刻蚀气体，进行开孔。

温度控制需要精准，具体过程如下：匀速升温的速度可以在1℃/min～50℃/min；恒温温度为500℃～1200℃，恒温的时间为10min～180min；降温速率可以为1℃/min～50℃/min。

碱性刻蚀气体为NH₃、PH₃等的一种或是几种混合气。保护气体流量在1sccm～1000sccm之间，所述碱性刻蚀气体流量在5sccm～500sccm之间。

经所述方法制备的多孔镍，开孔率高，孔径均匀，约为2～3μm，且经X射线衍射分析，开孔前后镍源的晶型没有发生改变，纯度高。

以下为实施例：

实施例1

一种多孔镍的制备方法，具体操作步骤如下：

(1)预处理：对纯度为99.9％的镍泡沫进行酸洗，其扫描电镜如图1A所示，除去表面的氧化层等杂质，其扫描电镜照片如图2A所示。酸洗所用的溶液的浓度为5mol/L的盐酸。

(2)通气预热：以管式炉为反应器，向管式炉的石英管内通入氩气，隔绝氧气，并控制反应器内温度匀速上升。

(3)刻蚀开孔：将镍泡沫置于管式炉的石英管内的中间部位，待其达到1000℃时，通入碱性刻蚀气体，进行开孔。

温度控制需要精准，具体过程如下：匀速升温的速度10℃/min；恒温温度为1000℃，恒温的时间为60min；降温速率15℃/min。

碱性刻蚀气体为NH₃。保护气体流量为50sccm，所述碱性刻蚀气体流量为100sccm。

本实施例制得的多孔镍扫描电镜照片如图3所示，其中图3A至C为不同放大倍率下的扫描电镜图片，开孔率98.1％(注：显微分析法，其中So(cm²)表示显微镜观测出的截面的总面积，Sp(cm²)表示显微观测到的截面中所包含的空隙的总面积)。孔径范围2～3μm。对镍源和制备的多孔镍进行X射线衍射分析，结果如图4所示，X射线衍射分析显示，反应前后，镍的成分和晶型没有发生改变。

实施例2

一种多孔镍的制备方法，具体操作步骤如下：

(1)预处理：对纯度为96％的镍泡沫进行电抛光,其电镜照片如图1B所示，抛光时间60s，除去表面的氧化层等杂质，其扫描电镜照片如图2B所示。

(2)通气预热：以管式炉为反应器，向管式炉的石英管内通入纯度为99.99％氩气，隔绝氧气，并控制反应器内温度匀速上升。

(3)刻蚀开孔：将镍泡沫置于管式炉的石英管内的中间部位，待其达到1000℃以上时，通入碱性刻蚀气体，进行开孔。

温度控制需要精准，具体过程如下：匀速升温的速度50℃/min；恒温温度为1200℃，恒温的时间为10min；降温速率50℃/min。

碱性刻蚀气体为NH₃：PH₃＝10:3。保护气体流量为1000sccm，所述碱性刻蚀气体总的流量为500sccm。

本实施例制得的多孔镍扫描电镜照片如图5A所示。

实施例3

一种多孔镍的制备方法，具体操作步骤如下：

(1)预处理：对纯度为99％的镍片进行酸洗，其扫描电镜照片如图1C所示，除去表面的氧化层等杂质，其扫描电镜照片如图2C所示。酸洗所用的溶液可以是各种浓度为1mol/L盐酸。

(2)通气预热：以管式炉为反应器，向管式炉的石英管内通入99.99％的氮气，隔绝氧气，并控制反应器内温度匀速上升。

(3)刻蚀开孔：将镍片置于管式炉的石英管内的中间部位，待其达到500℃时，通入碱性刻蚀气体，进行开孔。

温度控制需要精准，具体过程如下：匀速升温的速度1℃/min；恒温温度为500℃，恒温的时间为180min；降温速率1℃/min。

碱性刻蚀气体为PH₃。保护气体流量为1000sccm，所述碱性刻蚀气体流量为5sccm。

本实施例制得的多孔镍扫描电镜照片如图5B所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多孔镍的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在隔绝氧气环境下，向镍源通入碱性刻蚀气体，在高温下与镍源反应，使镍源表面形成多孔结构；所述镍源为镍片、镍泡沫、镍块和/或镍线；

所述反应的温度控制过程如下：升温的速率在1℃/min～50℃/min之间；恒温温度在500℃～1200℃之间，恒温的时间在10min～180min之间；降温速率在1℃/min～50℃/min之间。

2.如权利要求1所述的多孔镍的制备方法，其特征在于，所述碱性刻蚀气体为NH₃和/或PH₃气体。

3.如权利要求1所述的多孔镍的制备方法，其特征在于，所述隔绝氧气环境为通入保护气体形成，保护气体流量在1sccm～1000sccm之间，所述碱性刻蚀气体流量在5sccm至500sccm之间。