CN108372306B - 一种金属铋纳米片的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属铋纳米片的制备方法，属于材料制备技术领域。该方法采用“合金化、水解去除合金元素、超声/电子束轰击处理”三步制备金属铋纳米片，具体包括如下步聚：选取熔点较低的金属铋粉末和金属氢化物(MHx)均匀混合，将混合均匀的产物加热至350℃以上脱氢，形成M‑Bi合金；接着，将所得合金进行水解，合金中M与水迅速水解反应，而留下金属铋粉末悬浮液；最后将水解所得悬浮液超声5小时，或将悬浮液干燥物置于电子束下轰击，可得到分散的铋纳米。本发明制备过程简单，易规模生产，所得金属铋纳米片尺寸大小相当，厚度达纳米级别，在催化合成、重金属检测用电极、核辐射探测器中具有广阔的应用前景。

Description

一种金属铋纳米片的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种金属铋纳米片的制备方法。
背景技术
电位溶出法是检测重金属的一种非常有效方法，其操作简单、仪器使用方便、灵敏度高、成本低、检测效率高，能够准确的检测出重金属。在电位溶出法检测重金属中一般使用的是汞电极，而汞剧毒、易挥发，在使用过程中容易造成安全隐患，影响实验人员的健康，并且实验副产物还会造成环境污染。因此，研究出一种无污染材料检测重金属至关重要。
铋(Bi)的化学性质较稳定，常温下固态存在，不挥发。在电位溶出法检测重金属中，利用铋替代汞作为电极材料非常有效，而且使用铋电极会使实验的灵敏度提高、溶出峰彻底、不受外界环境干扰，这种替代让电位溶出法检测重金属更加精确和安全。伴随纳米材料的逐渐发展，其独特的性能使得该电化学检测具备了更多的优势。不同形貌的铋纳米材料，其应用带来一些不同的性能优势。其中金属铋纳米片性能优良，但存在制备困难的问题。
为解决上述制备困难的问题，国内研究人员也作了一定的工作。如专利名称：一种铋金属纳米片及其制备方法(中国专利号201410729080.4)。该法将硝酸铋、十六烷基三甲基溴化铵和葡萄糖投入去离子水中，搅拌溶解，制得混合溶液，然后将混合溶液置于反应釜中加压加热，制得铋金属纳米片。但该方法制备的金属铋纳米片大小不均匀，纳米片的厚度较厚，易受到实验副产物的污染。
发明内容
针对金属铋纳米片制备技术上存在的困难，本发明提供了一种高效、低成本、工艺简便的制备金属铋纳米片的新方法，以期制备出厚度可达纳米级别的金属铋纳米片，其具有高的比表面积并展示出优异特性。
本发明目的在于提供一种“合金化、水解去除合金元素、超声/电子束轰击处理”三步法制备金属铋纳米片的方法。
1)合金化：选取熔点较低的金属铋(Bi)和金属氢化物(MHx)混合均匀，将混合均匀的产物加热至350℃以上脱氢，同时形成M-Bi合金；
2)水解去除合金元素：将所得到的合金进行水解，合金中M与水迅速反应，形成M(OH)x而溶于水，仅留下金属铋；
3)超声/电子束轰击处理：将水解所得悬浮液超声5h，或者将悬浮液干燥物置于电子束轰击下，即可得到分散的铋纳米片。
进一步的，所述MHx中，M指的是Li、Na、K、Rb、Mg、Ca、Sr、Ba中的任一种。
进一步的，所述金属铋质量占金属铋和金属氢化物总质量的百分比为：5％～90％。
进一步的，粉末状金属铋和粉末状MHx通过机械球磨充分混合均匀，并使粉末颗粒变得细小，利于合金化进行。该机械球磨工艺参数设置为：球料比为40:1，球磨转速为200-400rpm，球磨时间为5-10h。
进一步的，金属铋和金属氢化物MHx在氩气保护的氛围内加热到350℃以上进行脱氢，以避免其他的副化学反应发生。
在本发明中采用“合金化、水解去除合金元素、超声/电子束轰击处理”三步法，其中合金化过程中的反应式如下：
Figure BDA0001620820220000021
在加热过程中，低熔点的金属铋在达到350℃以上时融化，MHx中的M由于亲金属而进入到熔融状态的金属铋中，而氢则汇聚到金属铋的表面，在熔融状态下，开始时铋金属表面存在少量M，随着M积累增多，M在熔融的金属铋内部存在浓度梯度差，导致M往熔融的金属铋内部扩散，使得M-H键断裂，其中的氢会以氢气的形式脱出。发生反应后的位置出现空隙，会有新的MHx颗粒填充，继续反应，这一过程不断发生，直到所有的氢脱出，而M和铋则形成M-Bi合金。
其中水解去M过程中，M-Bi合金是以ABAB……(A为二维结构的金属M层，B为二维结构的金属铋层)叠加在一起形成三维结构，通过超声水解，其中的M与水发生反应，生成M(OH)x溶于水，剩下不溶的铋亚层。经过多次超声水解之后，只剩下金属铋纳米片。
与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：
1、该制备方法制备过程简单，是一种具有推广价值的、可实现批量生产的金属纳米片的制备方法。
2、通过该制备方法制备出的金属铋纳米片尺寸大小相当，纳米片厚度可达纳米级别，在催化合成、重金属检测用电极、核辐射探测器中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例2中所制备金属Bi纳米片的XRD谱图。
图2为本发明实施例2中所制备金属Bi纳米片的SEM形貌图。
具体实施方式
下面将通过参考实施例对本发明进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
实施例1
取110mg的金属铋粉末和220mg的氢化锂粉末进行混合球磨，球磨工艺：球料比40:1，球磨转速为200rpm，球磨时间为5h。将球磨后的均匀混合物置于高温高压烧结电阻炉中加热保温，工艺参数：氩气保护，升温10℃/min，目标温度和保温温度380℃，保温时间5h，随炉冷却，冷却后的产物为锂铋合金。将锂铋合金放入烧杯中，加入二次蒸馏水，超声水解10min，水解5次。将超声水解后的悬浮液取出后，再超声5h，超声后得到金属铋纳米片。
实施例2
取240mg的金属铋粉末和160mg的氢化钠粉末进行混合球磨，球磨工艺：球料比40:1，球磨转速为400rpm，球磨时间为10h。将球磨后的均匀混合物置于高温高压烧结电阻炉中加热保温，工艺参数：氩气保护，升温5℃/min，目标温度和保温温度380℃，保温时间10h，随炉冷却。冷却后的产物为钠铋合金，其中只存在金属钠-铋，氢完全脱去。将钠铋合金放入烧杯中，加入二次蒸馏水，超声水解10min，水解5次。将超声水解后的悬浮液取出后，再超声5h，超声后得到金属光泽的产物，经XRD分析为铋(如图1所示)；其微观形貌为纳米片状，如图2所示。

Claims (3)

1.一种金属铋纳米片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）合金化：选取金属铋和金属氢化物MHx混合均匀，将混合均匀的产物加热至350 ℃以上脱氢，同时形成M-Bi合金；
所述金属铋质量占混合物总质量的百分比为：5%~90%；
（2）水解去除合金元素：将所得到的合金进行水解，合金中M与水迅速反应，形成M(OH)x而溶于水，仅留下金属铋粉末悬浮液；
（3）超声/电子束轰击处理：将步骤（2）水解所得悬浮液超声5 h，或者将悬浮液干燥物置于电子束轰击下，即可得到分散的铋纳米片。
2.根据权利要求1所述的金属铋纳米片的制备方法，其特征在于，所述MHx中，M是指Li、Na、K、Rb、Mg、Ca、Sr或Ba。
3.根据权利要求1所述的金属铋纳米片的制备方法，其特征在于，所述金属铋和金属氢化物MHx为粉末状，通过机械球磨获得；所述机械球磨工艺参数设置为：球料比为40:1，球磨转速为200-400 rpm，球磨时间为5-10 h。
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