CN107723778A - 一种在NiTi合金表面制备Ni‑Ti‑O富Ni纳米孔的方法 - Google Patents
一种在NiTi合金表面制备Ni‑Ti‑O富Ni纳米孔的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属纳米材料制备技术领域,为解决采用乙二醇电解液体系制备Ni‑Ti‑O纳米管/孔的直径较大、比表面积小和Ni含量较低等问题,提供一种在NiTi合金表面制备Ni‑Ti‑O富Ni纳米孔的方法,NiTi合金试件研磨和抛光预处理,浸入含碳酸钠和水的乙二醇电解液中,用阳极氧化法在其表面制备Ni‑Ti‑O富Ni纳米孔。反应条件温和,工艺重复性高。制备的Ni‑Ti‑O纳米孔直径小、比表面积大、Ni含量高;电极灵敏度高、响应时间短、葡萄糖检出限低、线性范围宽、长期稳定性好。充放电速度快、循环稳定性和倍率性能高。很好地促进细胞的黏附和增殖。在超级电容器、传感器、电催化和生物医学等领域有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域,具体涉及一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法。
背景技术
TiO2纳米管由于具备高的比表面积、量子尺寸效应和短扩散路径等优点,在气体传感器、生物传感、太阳能电池、光催化、污水处理等领域有极大的应用潜力。阳极氧化是一种操作简单、低成本、安全、无污染的TiO2纳米管制备方法。为了扩大TiO2纳米管的应用范围和改善其性能,最直接有效的途径就是阳极氧化处理含有所需掺杂元素的钛合金。
NiTi合金由于具有独特的形状记忆效应、超弹性和生物相容性等特性,因而在生物医学等领域具有广阔的发展前景。此外,Ni及其氧化物在电化学能量存储、光催化、生物传感、电阻开光、电致变色等领域也极具应用潜力。2010年,Kim等在含NH4F和H2O的乙二醇电解液中对NiTi合金进行阳极氧化,制备出了Ni-Ti-O纳米管。研究发现,Ni-Ti-O纳米管具有快速的充放电性能、优越的循环稳定性和高倍率性能,因此可以作为一种性能优良的电极材料应用于超级电容器领域。后续研究表明,Ni-Ti-O纳米管在气体传感、电催化和葡萄糖传感等领域也具备应用潜力。在这些应用中,宏观单位面积内的Ni含量和可用性决定了它们的性能。然而,采用乙二醇+NH4F+H2O电解液体系制备的Ni-Ti-O纳米管直径大且长度短,导致其比表面积较小,同时管内Ni含量较低,两者致使Ni-Ti-O纳米管宏观单位面积内Ni的含量较低,从而影响使用性能。我们前期的工作发现,采用乙二醇+HCl+H2O电解液体系可制备出较长的Ni-Ti-O纳米管,但所制备的纳米管具有较大的直径以及较低的Ni含量,仍然不能满足使用需求。
发明内容
本发明为了解决采用乙二醇+NH4F+H2O电解液体系制备的Ni-Ti-O纳米管/孔的直径较大、比表面积小和Ni含量较低等问题,提供了一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法,所制备的Ni-Ti-O纳米孔直径小、比表面积大且Ni含量较高。
本发明由如下技术方案实现的:一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法, NiTi合金试件进行研磨和抛光预处理,然后将预处理的NiTi合金试件浸入含Na2CO3和H2O的乙二醇电解液中,由于CO3 2-刻蚀表面的致密氧化物,从而生成可溶性的[Ti(OH)3(CO3)]- 和Ni(CO3)2 2-,采用阳极氧化法在其表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔。
具体制备方法为:
(1)NiTi合金试件预处理:将NiTi合金试件机械研磨、抛光,然后依次浸入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗,合金试件表面无杂物后冷风吹干,得到预处理的NiTi合金试件;
(2)预处理的NiTi合金试件浸入电解液:以预处理的NiTi合金试件为阳极,以铂片为阴极,在含0.2-1.0 wt% Na2CO3和4.0-6.0 vol% H2O的乙二醇电解液中进行阳极氧化,氧化电压为15-40 V,氧化温度20-35℃,氧化时间为5-25 min,在NiTi合金表面制得Ni-Ti-O纳米孔。
乙二醇电解液中Na2CO3含量为0.2-0.9 wt%。氧化电压为20-30V,氧化温度20-30℃,氧化时间为10-25 min。
优选:乙二醇电解液中Na2CO3含量为0.9 wt%;H2O含量为5.0 vol%。氧化电压为30V,氧化温度30℃,氧化时间为10min。
本发明的反应原理是:阳极氧化过程中,电解液中的H2O首先与NiTi合金基体反应,在其表面生成致密的TiO2和NiO氧化层。然后,电解液中的CO3 2- 在电场作用下通过与TiO2和NiO反应分别生成可溶性的[Ti(OH)3(CO3)]- 和Ni(CO3)2 2-以刻蚀表面的致密氧化物,形成纳米坑。当氧化物的生成和溶解达到动态平衡时,生成纳米孔。由于CO3 2-对TiO2和NiO的侵蚀性较强,导致纳米孔的底部厚度较小,而纳米孔的直径约为其底部厚度的2倍,故纳米孔直径也较小。同时,由于在电场辅助作用下,[Ti(OH)3(CO3)]-的溶解性更强,导致TiO2在阳极氧化过程中易于溶解,从而使纳米孔中保留了更多的NiO。
本发明的有益效果是:本发明所采用的设备简单,反应条件温和,工艺重复性高,可在形状复杂的NiTi合金试件表面制备。本发明制备的Ni-Ti-O纳米孔直径小、比表面积大、Ni含量高。通过葡萄糖检测实验发现,由本发明制备的Ni-Ti-O纳米孔电极灵敏度高、响应时间短、葡萄糖检出限低、线性范围宽、长期稳定性好。通过电化学储能测试发现,本发明制备的Ni-Ti-O纳米孔电极充放电速度快、循环稳定性和倍率性能高。通过细胞培养实验发现,本发明制备的Ni-Ti-O纳米孔可很好地促进细胞的黏附和增殖。因此在超级电容器、传感器、电催化和生物医学等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中制备的Ni-Ti-O纳米孔的扫描电镜照片;图2为Ni-Ti-O纳米孔在0.1 M NaOH溶液中添加不同浓度葡萄糖的CVs曲线,扫描速率50 mV/s;图3为实验例2中制备的Ni-Ti-O纳米孔的扫描电镜照片,图4为Ni-Ti-O纳米孔在1 M KOH溶液中电化学特性,图中:(a)为不同扫描速率下的CV曲线,(b)为不同扫描速率下的电容,(c)为在电流密度0.4mA/cm2下的GCD图,(d)为Ni-Ti-O 纳米孔的奈奎斯特图;图5为实验例3中制备的Ni-Ti-O纳米孔的扫描电镜照片,图6为成骨细胞在纯钛、NiTi合金、Ni-Ti-O 纳米孔表面培养3、5天后的cck-8定量结果,其中:与纯钛比较** p < 0.01,与 NiTi合金比较++ p < 0.01,具有显著的统计学差异;图7为成骨细胞在纯钛、NiTi合金、Ni-Ti-O 纳米孔表面培养3天和5天后的荧光显微照片。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明,但不局限于以下实施例。
实施例1:一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法,NiTi合金试件进行研磨和抛光预处理,然后将预处理的NiTi合金试件浸入含Na2CO3和H2O的乙二醇电解液中,采用阳极氧化法在其表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔。
具体制备方法为:
(1)将NiTi合金试件进行机械研磨、抛光,然后依次浸入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗,冷风吹干,得到预处理的NiTi合金试件;
(2) 以预处理的NiTi合金试件为阳极,以铂片为阴极,在含0.5 wt% Na2CO3和6.0vol% H2O的乙二醇电解液中进行阳极氧化,氧化电压为15 V,氧化温度20℃,氧化时间为5min,在NiTi合金表面制得Ni-Ti-O纳米孔;
(3)所制备的Ni-Ti-O纳米孔马弗炉中600℃保温两小时进行退火,升温速率3℃/min。试样在0.1 M NaOH溶液三电极体系室温条件下进行,三个电极固定在磁力搅拌器的三个孔洞支架上,100 ml的玻璃容器也放在磁力搅拌器上,Pt片为对电极,Ag/AgCl为参比电极,试样为工作电极。在电化学实验开始之前,工作电极(氧化试样)在50 ml的0.1 M NaOH溶液里以50 mV/s恒定速率扫描100圈(激活工作电极),然后测试添加不同浓度葡萄糖的CVs曲线。
经过上述处理,可在NiTi合金试件表面制备直径较小、Ni含量较高的Ni-Ti-O纳米孔。经扫描电子显微镜观察测定,显微观察图见图1,纳米孔的直径为25±3 nm,Ni相对于Ti的原子含量为0.37±0.02。图2为测试添加不同浓度葡萄糖的CVs曲线结果,从CVs曲线图中可以看出,试样有明显的氧化还原峰,随着葡萄糖浓度的增加,对应的氧化峰值电流随之增加,这表明电极对葡萄糖有良好的催化活性。
实施例2:一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔方法,NiTi合金试件进行研磨和抛光预处理,然后将预处理的NiTi合金试件浸入含Na2CO3和H2O的乙二醇电解液中,采用阳极氧化法在其表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔。
具体制备方法为:
(1)将NiTi合金试件进行机械研磨、抛光,然后依次浸入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗,冷风吹干,得到预处理的NiTi合金试件;
(2) 以预处理的NiTi合金试件为阳极,以铂片为阴极,在含0.2 wt% Na2CO3和5.5vol% H2O的乙二醇电解液中进行阳极氧化,氧化电压为40 V,氧化温度25 ℃,氧化时间为7min,在NiTi合金表面制得Ni-Ti-O纳米孔。
(3)本实施例所制备的Ni-Ti-O纳米孔马弗炉中600℃保温两小时进行退火,升温速率3℃/min。试样在1 M KOH溶液三电极体系室温条件下进行,三个电极固定在磁力搅拌器的三个孔洞支架上,100ml的玻璃容器也放在磁力搅拌器上,Pt片为对电极,Ag/AgCl为参比电极,试样为工作电极。在电化学实验开始之前,工作电极(氧化试样)在50 ml的1 M KOH溶液里以50 mV/s恒定速率扫描100圈(激活工作电极),然后测试其电化学性能,测试结果见图4:(a)不同扫描速率下的CV曲线,电压范围-0.2 - 0.7V,(b) 不同扫描速率下的电容,(c) 在电流密度0.4 mA/cm2下的GCD电压时间曲线,扫描速率50mV/s,(d) Ni-Ti-O 纳米孔的奈奎斯特图,振幅10mV。
经过上述处理,可在NiTi合金试件表面制备出直径较小、Ni含量较高的Ni-Ti-O纳米孔。经扫描电子显微镜观察测定,纳米孔直径为26±2 nm,Ni相对于Ti的原子含量为0.33± 0.03(图3),电化学测试表明(图4),电极有明显的对称氧化还原峰,且峰强随着随描速率的增加而增强,表明电极具备较好的可逆感应电流;电极具有储能性能,且充放电速度较快;在0.4 mA/cm2时库仑效率基本可以达到100%;奈奎斯特图没有观察到半圆弧形,表明电极电阻很小,故可以作为超级电容器。
实施例3:一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔方法,NiTi合金试件进行研磨和抛光预处理,然后将预处理的NiTi合金试件浸入含Na2CO3和H2O的乙二醇电解液中,采用阳极氧化法在其表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔。
具体制备方法为:
(1)将NiTi合金试件进行机械研磨、抛光,然后依次浸入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗,冷风吹干,得到预处理的NiTi合金试件;
(2) 以预处理的NiTi合金试件为阳极,以铂片为阴极,在含0.9 wt% Na2CO3和5.0vol% H2O的乙二醇电解液中进行阳极氧化,氧化电压为30 V,氧化温度30℃,氧化时间为10min,在NiTi合金表面制得Ni-Ti-O纳米孔
(3)本实施例所制备的Ni-Ti-O纳米孔进行细胞培养实验,实验所用细胞是MC3T3-E1Subclone 14前成骨细胞,接种密度为2 x104cells/cm2,将培养瓶中的细胞消化,计数后用培养基稀释配制细胞悬液接种于48孔板中无菌试样表面,培养3、5天以后终止培养,然后用PBS漂洗三次,并与Live/Dead试剂盒染色试剂(每个样25μl)在37 ±0.3℃黑暗中作用1h,再用PBS漂洗,利用激光扫描共聚焦显微镜(CLSM,C2Plus,Nikon)观察、照相。并用CCK-8试剂定量评价其增殖情况,以NiTi合金作为空白对照,纯钛作为阳性对照,每组设3个平行样。将培养瓶中的细胞消化,计数后用培养基稀释配制细胞悬液接种于试样表面,接种密度为2x 104cells/cm2。培养3、5天以后终止培养,PBS漂洗并将试样转移到新的48孔板中,每孔加入450 μl完全培养基和50 μl CCK-8试剂,在37℃培养箱中孵育。2小时后每孔取出100 μl在酶标仪上于450 nm波长测其吸光度。
经过上述处理,可在NiTi合金试件表面制备出直径较小、Ni含量较高的Ni-Ti-O纳米孔。经扫描电子显微镜观察测定,纳米孔的直径为23±2 nm,Ni相对于Ti的原子含量为0.31± 0.05(图5)。从图6的定量检测结果显示说明,制备的Ni-Ti-O纳米孔的吸光度明显高于NiTi合金,接近于纯钛,说明其毒性明显低于NiTi合金的毒性,属于细胞相容性能较好的材料,培养3d和培养5d的检测结果说明细胞在Ni-Ti-O纳米孔表面能够很好的增殖,增殖效果明显优于NiTi合金;图7荧光显微照片结果表明,试样表面没有死细胞,试样表面细胞数量随培养时间的延长而增多。显然所制备的合金试样可很好地促进细胞的黏附和增殖。因此在超级电容器、传感器、电催化和生物医学等领域有广阔的应用前景。
实施例4:一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔方法,NiTi合金试件进行研磨和抛光预处理,然后将预处理的NiTi合金试件浸入含Na2CO3和H2O的乙二醇电解液中,采用阳极氧化法在其表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔。
具体制备方法为:
(1)将NiTi合金试件进行机械研磨、抛光,然后依次浸入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗,冷风吹干,得到预处理的NiTi合金试件;
(2) 以预处理的NiTi合金试件为阳极,以铂片为阴极,在含0.45 wt% Na2CO3和5.0vol% H2O的乙二醇电解液中进行阳极氧化,氧化电压为25 V,氧化温度35℃,氧化时间为20min,在NiTi合金表面制得Ni-Ti-O纳米孔。
经过上述处理,可在NiTi合金试件表面制备出直径较小、Ni含量较高的Ni-Ti-O纳米孔。经扫描电子显微镜观察测定,纳米管的直径为22±2 nm,Ni相对于Ti的原子含量为0.24± 0.07。
实施例5:一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米管的方法,乙二醇电解液中Na2CO3含量为0.95 wt%;H2O含量为4.5 vol%。氧化电压为20V,氧化温度33℃,氧化时间为25min。其余制备方法同实施例1所述制备方法。
Claims (6)
1.一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔方法,其特征在于:NiTi合金试件进行研磨和抛光预处理,然后将预处理的NiTi合金试件浸入含Na2CO3和H2O的乙二醇电解液中,采用阳极氧化法在其表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔。
2.根据权利要求1所述的一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法,其特征在于:具体制备方法为:
(1)NiTi合金试件预处理:将NiTi合金试件机械研磨、抛光,然后依次浸入丙酮、无水乙醇和去离子水中超声波清洗,合金试件表面无杂物后冷风吹干,得到预处理的NiTi合金试件;
(2)预处理的NiTi合金试件浸入电解液:以预处理的NiTi合金试件为阳极,以铂片为阴极,在含0.2-1.0 wt% Na2CO3和4.0-6.0 vol% H2O的乙二醇电解液中进行阳极氧化,氧化电压为15-40 V,氧化温度20-35℃,氧化时间为5-25 min,在NiTi合金表面制得Ni-Ti-O纳米孔。
3.根据权利要求2所述的一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法,其特征在于:乙二醇电解液中Na2CO3含量为0.2-0.9 wt%。
4.根据权利要求2所述的一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法,其特征在于:氧化电压为20-30V,氧化温度20-30℃,氧化时间为10-25 min。
5.根据权利要求2所述的一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法,其特征在于:乙二醇电解液中Na2CO3含量为0.9 wt%;H2O含量为5.0 vol%。
6.根据权利要求2所述的一种在NiTi合金表面制备Ni-Ti-O富Ni纳米孔的方法,其特征在于:氧化电压为30V,氧化温度30℃,氧化时间为10min。
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