CN109234768A - 一种制备纳米银颗粒的电化学装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种制备纳米银颗粒的电化学装置和方法，所述装置包括反应器，反应器内由隔膜分隔形成的阴极室和阳极室，设置在阴极室中的阴极，设置在阳极室中的阳极以及经导线连接在阴极和阳极之间的负载；所述方法包括步骤1，将阳极插入到盛有甲醇水溶液的阳极室；将阴极插入到盛有含银离子或络合银离子的水溶液的阴极室；阴极室和阳极室之间设置有隔膜，阴极室和阳极室内均添加有支持电解质，将阴极和阳极通过负载电连接后形成电化学反应体系；步骤2，在负载电阻值为5‑5000欧姆下反应1‑36小时后，在阴极上直接沉淀生成纳米银。装置简单，设计合理，方法无需昂贵的有机化学试剂，也不消耗电能，系统不涉及微生物。

Description

一种制备纳米银颗粒的电化学装置和方法

技术领域

本发明涉及纳米银的制备，具体为一种制备纳米银颗粒的电化学装置和方法。

背景技术

银纳米粒子由于其表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，显示出不同于常规材料的热、光、电、磁和催化等特性。因此在催化剂材料、导电浆料、抗菌材料等领域有广泛应用。银纳米材料的优异性能取决于其独特的微观结构，为此通过不同的方法制备纳米银并调控其微观结构，一直以来是纳米科学领域的研究热点。电化学沉积法一般不需要额外添加还原剂，而且通过电位或电流控制银离子的还原过程，较易制得不同形貌和粒径的贵金属纳米粒子，具有操作简便、可控程度高、产物收率高、易分离和污染小等诸多优点，近些年来受到人们的关注。然而传统的电化学沉积过程往往存在着电耗高的问题，尤其是大规模生产的过程中，能耗和污染控制是必须考虑的问题。

尽管也有少量的报道采用微生物电化学技术制备纳米银，可以不消耗电能，但微生物电化学系统中的微生物活性受到温度和银离子的影响较大，从而也限制了该技术的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种制备纳米银颗粒的电化学装置和方法，装置简单，设计合理，方法无需昂贵的有机化学试剂，也不消耗电能，系统不涉及微生物。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种制备纳米银颗粒的电化学装置，包括反应器，反应器内由隔膜分隔形成的阴极室和阳极室，设置在阴极室中的阴极，设置在阳极室中的阳极，以及经导线连接在阴极和阳极之间的负载；

所述的阴极室盛有含银离子或络合银离子的水溶液，阳极室盛有甲醇水溶液，阴极室和阳极室均含有的支持电解质；

所述的阳极由具有电催化氧化甲醇活性的催化剂涂敷在碳布基底上制成；阴极采用钛、银、碳或石墨制成，隔膜用于阻止阴极室的银离子扩散到阳极，阻止阳极室甲醇扩散到阴极，且能导通氢离子或氢氧根离子。

优选的，所述的阴极采用钛网、钛板、钛棒、银网、银箔、银丝、碳布、碳毡、石墨板或石磨棒。

优选的，所述的反应器由玻璃或者不导电的塑料制成。

优选的，具有电催化氧化甲醇活性的催化剂采用Pt/C或Pt-Ru/C。

优选的，所述的隔膜为阳离子交换膜或阴离子交换膜或者双极膜。

一种制备纳米银颗粒的电化学方法，包括如下步骤，

步骤1，将由具有电催化氧化甲醇活性的催化剂涂敷在碳布基底上制成的阳极，插入到盛有甲醇水溶液的阳极室中；将由钛、铜、碳或石墨制成的阴极，插入到盛有含银离子或络合银离子的水溶液的阴极室中；阴极室和阳极室之间设置有隔膜，阴极室和阳极室内均添加有支持电解质，将阴极和阳极通过负载电连接后形成电化学反应体系；所述的隔膜用于阻止阴极室的银离子扩散到阳极，阻止阳极室甲醇扩散到阴极，且能导通氢离子或氢氧根离子；

步骤2，在负载电阻值为5-5000欧姆的条件下，反应1-36小时后，在阴极上直接沉淀生成纳米银。

进一步，所述的纳米银呈树枝状或片状。

再进一步，所述的阴极室内的含银离子或络合银离子的水溶液的体积浓度为0.001-0.1摩尔每升，所述的阴极室内的含银离子或络合银离子的水溶液采用硝酸银溶液。

再进一步，所述的阳极室内的甲醇水溶液体积浓度为0.01-10摩尔每升。

再进一步，所述的支持电解质采用硫酸钠、硫酸钾、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、硝酸和硫酸中的至少一种，其体积浓度为0.02-1.5摩尔每升。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的装置，制备的纳米银直接沉积在阴极上，从反应体系中分离纯化工艺相对传统的化学还原方法非常简单，而且分离纯化效率较高。同时本发明制备纳米银颗粒的工艺不耗电，只需要消耗少量的甲醇，成本低廉。为纳米银材料的制备提供了一种新的工艺技术，为纳米银的广泛应用奠定基础。

附图说明

图1为本发明实例中所述的电化学装置示意图。

图中：阴极1，阳极2，阴极室3，阳极室4，隔膜5，负载6。

图2为本发明实例中所述的阴极沉积的树枝状纳米银。

图3为本发明实例中所述的阴极沉积的片状纳米银。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开了一种制备纳米银颗粒的电化学装置和方法，阳极2为甲醇氧化阳极，可以用于高效电催化氧化甲醇，阴极1为银沉积阴极，采用钛网、银箔、碳布、碳毡、石墨等，阴极室3和阳极室4之间有离子交换膜分隔。操作时，将阳极室4充入甲醇溶液，阴极室3充入银盐前驱体溶液，通过导线和负载6将阳极2和阴极1连接起来，系统即向外电路释放电流，同时纳米银即可沉积在阴极1上。该技术具有良好的应用前景。

具体的，如图1所示，本发明装置包括阳极2、阴极1、隔膜5，隔膜5将阴极室3和阳极室4隔开，阴极室3盛有含银离子或络合银离子的水溶液，阳极室4盛有甲醇水溶液，阴极室3和阳极室4均含有0.02-1.5摩尔每升的支持电解质如硫酸钠、硫酸钾、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、硝酸、硫酸等，阴极室3和阳极室4外壳可以由玻璃或者不导电的塑料如有机玻璃、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯等制成。

所述装置中的阳极2由具有电催化氧化甲醇活性的催化剂如Pt/C、Pt-Ru/C等涂敷在碳布基底上制成。阴极1选用钛网、钛板、钛棒、银网、银箔、银丝、碳布、碳毡、石墨板、石磨棒等，隔膜5为阳离子交换膜或阴离子交换膜或者双极膜，该隔膜5可以阻止阴极室3的银离子扩散到阳极2，也可以阻止阳极室4甲醇扩散到阴极1，但能导通氢离子或氢氧根离子。

所述装置中，通过负载6和导线将阴极1和阳极2连接起来，负载6包括纯电阻、小灯泡等耗电的器件，通过调节不同的负载6和放电时间，可以控制银离子或络合银离子还原产生纳米银的速度和纳米银的形状、尺寸大小。

实施例一：

在有机玻璃制成的反应器中，以双极性膜为隔膜5，阳极2为Pt-Ru/C催化剂涂敷在碳布上，阳极室4为甲醇和氢氧化钠的水溶液，甲醇浓度为1摩尔每升，氢氧化钠的体积浓度为0.1摩尔每升，阴极1为石墨毡，阴极室3为体积浓度0.001摩尔每升的硝酸银溶液和体积浓度0.1摩尔每升的硝酸钠溶液，通过1500欧姆外阻和导线将阴极1和阳极2连接起来，经16小时反应后，阴极1石墨上即可沉积得到如图2所示的树枝状纳米银。

实施例二：

在有机玻璃制成的反应器中，以阳离子交换为隔膜5，阳极2为Pt-Ru/C催化剂涂敷在碳布上，阳极室4为甲醇和硫酸钠的水溶液，甲醇体积浓度为2摩尔每升，硫酸钠浓度为体积浓度0.02摩尔每升，阴极1为石墨毡，阴极室3为体积浓度0.01摩尔每升的硝酸银溶液和体积浓度0.02摩尔每升的硝酸钠溶液，通过500欧姆外阻和导线将阴极1和阳极2连接起来，经36小时反应后，阴极1石墨上即可沉积得到如图3所示的片状纳米银。

实施例三：

在有机玻璃制成的反应器中，以阴离子交换为隔膜5，阳极2为Pt-Ru/C催化剂涂敷在碳布上，阳极室4为甲醇和硫酸钾的水溶液，甲醇浓度为0.1摩尔每升，硫酸钾的体积浓度为1.1摩尔每升，阴极1为石墨毡，阴极室3为体积浓度0.1摩尔每升的硝酸银溶液和体积浓度1.1摩尔每升的硝酸钾溶液，通过5000欧姆外阻和导线将阴极1和阳极2连接起来，经24小时反应后，阴极1石墨上即可沉积得到纳米银颗粒。

实施例四：

在有机玻璃制成的反应器中，以阴离子交换为隔膜5，阳极2为Pt-Ru/C催化剂涂敷在碳布上，阳极室4为甲醇和硝酸的水溶液，甲醇体积浓度为10摩尔每升，硝酸浓度为体积浓度0.1摩尔每升，阴极1为石墨毡，阴极室3为体积浓度0.006摩尔每升的硝酸银溶液和体积浓度0.1摩尔每升的硝酸溶液，通过2000欧姆外阻和导线将阴极1和阳极2连接起来，经5小时反应后，阴极1石墨上即可沉积得到纳米银颗粒。

实施例五：

在有机玻璃制成的反应器中，以阳离子交换为隔膜5，阳极2为Pt-Ru/C催化剂涂敷在碳布上，阳极室4为甲醇和硫酸钾的水溶液，甲醇体积浓度为6摩尔每升，硫酸钾浓度为体积浓度1.5摩尔每升，阴极1为石墨毡，阴极室3为体积浓度0.08摩尔每升的硝酸银溶液和体积浓度1.5摩尔每升的硝酸钾溶液，通过5欧姆外阻和导线将阴极1和阳极2连接起来，经1小时反应后，阴极1石墨上即可沉积得到纳米银颗粒。

Claims (10)

1.一种制备纳米银颗粒的电化学装置，其特征在于，包括反应器，反应器内由隔膜(5)分隔形成的阴极室(3)和阳极室(4)，设置在阴极室(3)中的阴极(1)，设置在阳极室(4)中的阳极(2)，以及经导线连接在阴极(1)和阳极(2)之间的负载(6)；

所述的阴极室(3)盛有含银离子或络合银离子的水溶液，阳极室(4)盛有甲醇水溶液，阴极室(3)和阳极室(4)均含有的支持电解质；

所述的阳极(2)由具有电催化氧化甲醇活性的催化剂涂敷在碳布基底上制成；阴极(1)采用钛、银、碳或石墨制成，隔膜(5)用于阻止阴极室(3)的银离子扩散到阳极(2)，阻止阳极室(4)甲醇扩散到阴极(1)，且能导通氢离子或氢氧根离子。

2.根据权利要求1所述的一种制备纳米银颗粒的电化学装置，其特征在于，所述的阴极(1)采用钛网、钛板、钛棒、银网、银箔、银丝、碳布、碳毡、石墨板或石磨棒。

3.根据权利要求1所述的一种制备纳米银颗粒的电化学装置，其特征在于，所述的反应器由玻璃或者不导电的塑料制成。

4.根据权利要求1所述的一种制备纳米银颗粒的电化学装置，其特征在于，具有电催化氧化甲醇活性的催化剂采用Pt/C或Pt-Ru/C。

5.根据权利要求1所述的一种制备纳米银颗粒的电化学装置，其特征在于，所述的隔膜(5)为阳离子交换膜或阴离子交换膜或者双极膜。

6.一种制备纳米银颗粒的电化学方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，将由具有电催化氧化甲醇活性的催化剂涂敷在碳布基底上制成的阳极(2)，插入到盛有甲醇水溶液的阳极室(4)中；将由钛、铜、碳或石墨制成的阴极(1)，插入到盛有含银离子或络合银离子的水溶液的阴极室(3)中；阴极室(3)和阳极室(4)之间设置有隔膜(5)，阴极室(3)和阳极室(4)内均添加有支持电解质，将阴极(1)和阳极(2)通过负载(6)电连接后形成电化学反应体系；所述的隔膜(5)用于阻止阴极室(3)的银离子扩散到阳极(2)，阻止阳极室(4)甲醇扩散到阴极(1)，且能导通氢离子或氢氧根离子；

步骤2，在负载(6)电阻值为5-5000欧姆的条件下，反应1-36小时后，在阴极(1)上直接沉淀生成纳米银。

7.根据权利要求6所述的一种制备纳米银颗粒的电化学方法，其特征在于，所述的纳米银呈树枝状或片状。

8.根据权利要求6所述的一种制备纳米银颗粒的电化学方法，其特征在于，所述的阴极室(3)内的含银离子或络合银离子的水溶液的体积浓度为0.001-0.1摩尔每升，所述的阴极室(3)内的含银离子或络合银离子的水溶液采用硝酸银溶液。

9.根据权利要求6所述的一种制备纳米银颗粒的电化学方法，其特征在于，所述的阳极室(4)内的甲醇水溶液体积浓度为0.01-10摩尔每升。

10.根据权利要求6所述的一种制备纳米银颗粒的电化学方法，其特征在于，所述的支持电解质采用硫酸钠、硫酸钾、硝酸钠、硝酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾、硝酸和硫酸中的至少一种，其体积浓度为0.02-1.5摩尔每升。