CN108220649A - 一种准二维纳米多孔金属的制备方法 - Google Patents

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王凯
习卫
丁轶
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Abstract

本发明公开了一种准二维纳米多孔金属的制备方法。先用真空熔炼或者真空溅射与单辊旋淬方法制备合金前体，然后在无机酸溶液或无机碱溶液中自由腐蚀去合金化，或采用电化学腐蚀方法在固体合金的外表面或内表面上制备出主曲率之一为负的片层状纳米多孔结构金属。本发明的制备工艺简单、可重复性强、普适性高，形成的材料为准二维片状纳米多孔金属，开创了准二维片状纳米多孔金属材料的制备方法，有望拓展纳米多孔金属应用范围。

Description

一种准二维纳米多孔金属的制备方法
技术领域
本发明是一种关于纳米金属材料的，特别涉及一种在无机酸、无机碱腐蚀液中自由腐蚀去合金化制备准二维纳米多孔金属的方法。
背景技术
利用脱合金制备的纳米多孔金属是近十几年发展起来的一类新型功能纳米材料，它具有高表面积、低密度、高导电导热性、高通透性、结构灵活可调等特点，有望在催化、分离、能源等领域得到广泛的应用。纳米多孔金属结构的形成与演化为一个动态过程，一方面合金体系中活泼组分不断溶解导致材料表面韧带不断粗化，比表面积持续增加；另一方面惰性组分原子在表面扩散并不断聚集，倾向于形成平滑表面而降低材料的表面积和总能量。因此严格意义上说，纳米多孔金属的结构形成是两种机制竞争平衡的结果，而且其本身就是一个亚稳的结构。所以怎样有效控制其韧带、孔隙、比表面积是制备纳米多孔金属的一个难题。
对于纳米多孔金属材料，随着韧带尺寸减小，比表面积增大，催化、能量存储等性能提高。然而当尺寸减小到很小时，比如纳米多孔铂可以做到韧带只有3nm，其三维块体结构却很大，至少在微米级，这制约了纳米多孔金属的进一步应用与性能的提高。众所周知，当把三维石墨制成二维石墨烯时，其性能有了质的飞跃。如果将三维纳米多孔金属制备成准二维材料，就可能进一步提高其性能、拓展其应用范围。基于此，发明一种准二维纳米多孔金属的制备方法，是本专利申请的核心思想。
发明内容
本发明的目的，是开发一种简单高效制备准二维纳米多孔金属的方法，以期提高其催化、热稳定等性能与应用范围。
本发明通过如下技术方案予以实现：
本发明采用将几种纯金属通过真空熔炼、真空溅射、单辊旋淬等方法制备一种活波金属与其合金层状间隔分布的合金前体，之后用自由腐蚀去合金化、电化学腐蚀等方法在固体合金的外表面或内表面上制备出主曲率之一为负的准二维片状纳米多孔金属。
一种准二维纳米多孔金属的制备方法，具体步骤如下：
(1)取纯金属Al-Cu，采用真空熔炼或者真空溅射与单辊旋淬方法制备合金前体，该合金前体的成分分布为一种活波金属与其合金层状间隔分布；
(2)将步骤(1)所得到的合金前体在无机酸或者无机碱中自由腐蚀，比较活泼的金属会被溶解在溶液中，最后得到不溶解的另一种金属，即是材料形貌为纳米多孔结构的准二维纳米多孔金属。
所述步骤(1)的铝与铜的原子比为83:17。
所述步骤(1)纯金属也可以是Ag-Al、Au-Cu、Pd-Cu或者Au-Ag。
所述步骤(2)的无机碱腐蚀液为2mol/L NaOH，恒温水浴温度为25℃，无机酸腐蚀液为2mol/L HCl，恒温水浴温度为30℃。
所述步骤(2)中所得到的不溶解的另一种金属合金为厚度20nm的准二维片状纳米多孔铜，这种多孔结构的表面包含凸面、凹面和双曲面三种表面形态。其中凸面的主曲率均为正曲率，凹面的的主曲率均为负曲率，双曲面的主曲率则为一正曲率、一负曲率。
本发明纳米多孔金属的制备方法，开创了准二维片状纳米多孔金属材料的制备方式，有望拓展纳米多孔金属应用范围。本发明的制备工艺简单、可重复性强、普适性高，形成的材料为准二维片状。
附图说明
图1是实施例1的合金前体宏观形貌图；
图2是实施例1在扫描电子显微镜(SEM)背散射模式下的成分分布形貌图；
图3是实施例1的合金前体XRD衍射谱图；
图4是实施例1的纳米多孔铜XRD衍射谱图；
图5是实施例1的纳米多孔铜表面扫描电子显微镜(SEM)形貌图；
图6是实施例1的纳米多孔铜截面扫描电子显微镜(SEM)形貌图；
图7是实施例1在透射电子显微镜(TEM)明场像；
图8是实施例1在透射电子显微镜(TEM)衍射谱；
图9是实施例1的能谱图(EDS)。
具体实施方式
下面通过以下具体实施例来进一步说明本发明，实施例仅仅是示例性的，而非限制性的。
实施例1
原始纯金属种类为铝和铜。
(1)将高纯金属铝和铜以83:17的原子比混合，在高真空电弧熔炼及吸铸系统中炼制成Al83Cu17合金，再用高真空电弧熔炼及单辊旋淬系统以1800r/min条件制成尺寸约为0.3×3cm的合金前体，如图1所示。该合金条带成分为Al与CuAl2层状相间分布。图2是实施例1在扫描电子显微镜(SEM)背散射模式下的成分分布形貌图，由图中可以看出Al与CuAl2间隔分布，其中颜色较亮的是CuAl2，较暗的是Al。图3是实施例1的合金前体XRD衍射谱图，由图中可以看出合金前体中只含有Cu与CuAl2。
(2)对步骤(1)中所得到的合金条带前体去合金化。将合金条带前体在25℃恒温水浴中用2mol/L的NaOH自由腐蚀4h，之后分别用去氧超纯水与无水乙醇洗三次，最后在60℃的真空干燥箱中干燥，制得准二维纳米多孔金属材料。所得材料形貌为准二维片状纳米多孔铜，韧带厚度约20nm，参见图4、图5和图6。图4是实施例1的纳米多孔铜XRD衍射谱图，由图中可以看出仅有Cu的信号，说明较为活泼的金属Al已被完全去除。图5是实施例1的纳米多孔铜表面扫描电子显微镜(SEM)形貌图，由图中可以看出制得的是20nm片状准二维纳米多孔铜。图6是实施例1的纳米多孔铜截面扫描电子显微镜(SEM)形貌图，由图中可以看出纳米多孔铜表面积远厚度，是准二维的。这种多孔结构的表面包含凸面、凹面和双曲面三种表面形态。其中凸面的主曲率均为正曲率，凹面的均为负曲率，双曲面的则为一正一负，参见图7、图8和图9。图7是实施例1在透射电子显微镜(TEM)明场像，由图中可以看出片状纳米多孔铜的面积远大于其厚度(20nm)，呈准二维状，且厚度均匀。图8是实施例1在透射电子显微镜(TEM)衍射谱，由图中可以看出微观结构为多晶。图9是实施例1的能谱图(EDS)，由图中可以看出准二维纳米多孔铜组成成分是单一的Cu。

Claims (5)

1.一种准二维纳米多孔金属的制备方法，具体步骤如下：
(1)取纯金属Al-Cu采用真空熔炼或者真空溅射与单辊旋淬方法制备合金前体，该合金前体的成分分布为一种活波金属与其合金层状间隔分布；
(2)将步骤(1)所得到的合金前体在无机酸或者无机碱中自由腐蚀，比较活泼的金属会被溶解在溶液中，最后得到不溶解的另一种金属，即是材料形貌为纳米多孔结构的准二维纳米多孔金属，或者采用电化学腐蚀方法在固体合金的外表面或内表面上制备出主曲率之一为负的片层状纳米多孔结构的准二维纳米多孔金属。
2.根据权利要求1所述的一种准二维纳米多孔金属的方法，其特征在于，所述步骤(1)的铝与铜的原子比为83:17。
3.根据权利要求1所述的一种准二维纳米多孔金属的方法，其特征在于，所述步骤(1)纯金属也可以是Ag-Al、Au-Cu、Pd-Cu或者Au-Ag。
4.根据权利要求1所述的一种准二维纳米多孔金属的方法，其特征在于，所述步骤(2)的无机碱腐蚀液为2mol/L NaOH，恒温水浴温度为25℃，无机酸腐蚀液为2mol/L HCl，恒温水浴温度为30℃。
5.根据权利要求1所述的一种准二维纳米多孔金属的方法，其特征在于，所述步骤(2)中所得到的不溶解的另一种金属为厚度20nm的准二维片状纳米多孔铜，这种多孔结构的表面包含凸面、凹面和双曲面三种表面形态。其中凸面的主曲率均为正曲率，凹面的的主曲率均为负曲率，双曲面的主曲率则为一正曲率、一负曲率。
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