CN108188400A - 一种微纳米双级多孔铜及其制备方法 - Google Patents

一种微纳米双级多孔铜及其制备方法 Download PDF

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马研
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Abstract

本发明公开了一种微纳米双级多孔铜，其特征在于，以烧结多孔Cu骨架为基体，骨架上形成双连续的纳米多孔结构，其中微米孔平均孔径2.2μm‑3.7μm，纳米孔平均孔径60nm‑113nm。其制备方法具体步骤如下：步骤1，将一定比例的Cu粉和Mn粉混合均匀后压制成坯，置于气氛管式炉中升温至一定温度，保温一定时间后冷却至室温，获得前驱体CuMn合金；步骤2，将前驱体置于盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜。所制备的双级多孔铜具有较为均匀的微米孔/纳米孔复合孔结构、三维双连续韧带/孔道结构等特点。制备工艺流程短，方法简单，结构可控，具有实用化生产的前景。

Description

一种微纳米双级多孔铜及其制备方法
技术领域
本发明属于多孔金属制备技术领域，具体涉及一种微纳米双级多孔铜；本发明还涉及该微纳米双级多孔铜的制备方法。
背景技术
纳米多孔金属材料具有纳米级别的孔隙和巨大的比表面积，独特的微观结构使其具有卓越的物理化学性能，可以应用于催化、传感以及燃料电池等诸多领域。利用粉末冶金法制备前驱体合金，形成的微米孔道有利于腐蚀液渗流和脱合金。引入微米孔结构能够改善气液流动与离子交换，有望进一步提升纳米多孔金属的催化传感性能。Cu和Mn烧结后形成单一固溶体相，有利于在脱合金后形成均匀的纳米多孔结构。
对于双级孔结构或多级孔结构的金属材料目前有部分专利已公开。中国专利(公开号：106994512A)公开了一种复合孔径Cu烧结多孔材料，将400～500目的电解Cu粉和250～300目的雾化Cu粉混合造孔剂NaCl与NH4HCO3烧结，之后在水中浸泡再烘干可制得孔径分布5～25μm，30～60μm，70～110μm的三级多孔结构，该方法所制备的孔径均为微米级，不包含纳米孔。中国专利(公开号：1068841909A)公开了一种利用电化学氧化或氧气中热氧化后，再结合电化学还原的方法制备出分级多孔金属材料，该方法制备出的孔结构是由金属纳米粒子聚集形成的一级孔聚集体再次聚集形成的二级孔聚集体相互连接而形成，但实质上两级孔结构都是堆积形成，金属材料在微观上并没有形成连续韧带。中国专利(公开号：105543531A)和中国专利(公开号：106591619A)分别公开了利用NaOH、HCl将铜铝合金脱合金制得双级多孔铜材料的方法，而这两种方法对前驱体合金的组织要求较高，制备工艺较为复杂。而烧结制备微米多孔金属材料和脱合金制备纳米多孔金属材料在各自领域都得到了较高程度的发展，但设计出一种材料包含烧结微米孔与脱合金纳米孔两种孔结构的研究则鲜有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种微纳米双级多孔铜，实现了通过脱合金在烧结微米孔孔壁上直接生成均匀纳米孔，从而得到孔隙分布较为均匀的微纳米双级多孔铜。
本发明的另一目的是提供该微纳米双级多孔铜的制备方法，其制备工艺简便，易实现。
本发明所采用的技术方案是，一种微纳米双级多孔铜，以烧结多孔Cu骨架为基体，骨架上形成双连续的纳米多孔结构，其中微米孔平均孔径2.2μm-3.7μm，纳米孔平均孔径60nm-113nm。
本发明所采用的另一技术方案是，一种微纳米双级多孔铜的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将一定比例的Cu粉和Mn粉混合均匀后压制成坯，置于气氛管式炉中升温至一定温度，保温一定时间后冷却至室温，获得前驱体CuMn合金；
步骤2，将前驱体置于盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜。
本发明的特征还在于，
步骤1中Cu粉和Mn粉的摩尔比为4:6-5:5。
步骤1中压制压力为3MPa-10MPa。
步骤1中保温温度范围为820℃-900℃。
步骤1中保温时间为4h。
步骤1中保温气氛为氩气。
步骤1中冷却方式为随炉冷却。
步骤2中稀盐酸浓度为0.1mol/L。
本发明的有益效果是，利用粉末冶金法得到微米孔前驱体合金并脱合金处理，制备出微纳米双级多孔铜，实现了通过脱合金在烧结微米孔孔壁上直接生成均匀纳米孔，从而得到孔隙分布较为均匀的微纳米双级多孔铜。所制备的双级多孔铜具有较为均匀的微米孔/纳米孔复合孔结构、三维双连续韧带/孔道结构等特点。制备工艺流程短，方法简单，结构可控，具有实用化生产的前景。
附图说明
图1是本发明实施例3所得到的微纳米双级多孔铜的SEM图；
图2是图1中A处的SEM图；
图3是本发明实施例9所得到的微纳米双级多孔铜的SEM图；
图4是图3中B处的SEM图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种微纳米双级多孔铜，以烧结多孔Cu骨架为基体，骨架上形成双连续的纳米多孔结构，其中微米孔平均孔径2.2μm-3.7μm，纳米孔平均孔径60nm-113nm。
本发明还提供了一种微纳米双级多孔铜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将摩尔比4:6-5:5的Cu粉和Mn粉混合均匀后，3-10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至820-900℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体CuMn合金；
步骤2，将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜。
实施例1
将摩尔比为4:6的Cu粉和Mn粉混合均匀后，10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至820℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu40Mn60合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径2.46um，纳米孔平均孔径66nm。
实施例2
将摩尔比为4:6的Cu粉和Mn粉混合均匀后，10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至840℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu40Mn60合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径2.20um，纳米孔平均孔径64nm。
实施例3
将摩尔比为4:6的Cu粉和Mn粉混合均匀后，10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至870℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu40Mn60合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，如图1-2所示，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径2.61um，纳米孔平均孔径69nm。
实施例4
将摩尔比为4:6的Cu粉和Mn粉混合均匀后，10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至900℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu40Mn60合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径2.49um，纳米孔平均孔径60nm。
实施例5
将摩尔比为5:5的Cu粉和Mn粉混合均匀后，10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至820℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu50Mn50合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径3.23um，纳米孔平均孔径113nm。
实施例6
将摩尔比为5:5的Cu粉和Mn粉混合均匀后，10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至840℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu50Mn50合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径3.00um，纳米孔平均孔径105nm。
实施例7
将摩尔比为5:5的Cu粉和Mn粉混合均匀后，10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至870℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu50Mn50合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径3.70um，纳米孔平均孔径100nm。
实施例8
将摩尔比为5:5的Cu粉和Mn粉混合均匀后，5MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至870℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu50Mn50合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径3.51um，纳米孔平均孔径106nm。
实施例9
将摩尔比为5:5的Cu粉和Mn粉混合均匀后，3MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至870℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu50Mn50合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，如图3-4所示，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径3.48um，纳米孔平均孔径104nm。
实施例10
将摩尔比为4.5:5.5的Cu粉和Mn粉混合均匀后，10MPa下压制成坯，置于管式炉中氩气气氛下升温至870℃，保温4h后随炉冷却至室温，获得前驱体Cu45Mn55合金；再将前驱体置于0.1mol/L盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径2.95um，纳米孔平均孔径100nm。
本发明上述的各个实施例通过将粉末冶金得到的微米孔前驱体脱合金制备了微纳米双级多孔铜，微米孔平均孔径2.2-3.7μm，纳米孔平均孔径60-113nm。

Claims (9)

1.一种微纳米双级多孔铜，其特征在于，以烧结多孔Cu骨架为基体，骨架上形成双连续的纳米多孔结构，其中微米孔平均孔径2.2μm-3.7μm，纳米孔平均孔径60nm-113nm。
2.一种微纳米双级多孔铜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将一定比例的Cu粉和Mn粉混合均匀后压制成坯，置于气氛管式炉中升温至一定温度，保温一定时间后冷却至室温，获得前驱体CuMn合金；
步骤2，将前驱体置于盐酸溶液中脱合金至无明显气泡逸出，制备出微纳米双级多孔铜。
3.根据权利要求2所述的一种微纳米双级多孔铜的制备方法，其特征在于，步骤1中Cu粉和Mn粉的摩尔比为4:6-5:5。
4.根据权利要求2所述的一种微纳米双级多孔铜的制备方法，其特征在于，步骤1中压制压力为3MPa-10MPa。
5.根据权利要求2所述的一种微纳米双级多孔铜的制备方法，其特征在于，步骤1中保温温度范围为820℃-900℃。
6.根据权利要求2所述的一种微纳米双级多孔铜的制备方法，其特征在于，步骤1中保温时间为4h。
7.根据权利要求2所述的一种微纳米双级多孔铜的制备方法，其特征在于，步骤1中保温气氛为氩气。
8.根据权利要求2所述的一种微纳米双级多孔铜的制备方法，其特征在于，步骤1中冷却方式为随炉冷却。
9.根据权利要求2所述的一种微纳米双级多孔铜的制备方法，其特征在于，步骤2中稀盐酸浓度为0.1mol/L。
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