CN109277580B - 一种制备Cr-Mn复合纳米线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种制备Cr‑Mn复合纳米线的方法，属于金属纳米线制备领域。本发明在样品室内放入Sn球，以1500目304不锈钢网作为蒸发源，在真空度为10‑1Pa蒸发温度为800℃～900℃的条件下，使其中的Cr、Mn元素蒸发，借助金属Sn蒸气的催化作用，使Cr、Mn元素蒸气在不锈钢网表面冷凝沉积，最终得到Cr‑Mn复合纳米线。本发明具有工艺简单，成本低廉，收得率高，制备量大等优点。

Description

一种制备Cr-Mn复合纳米线的方法
技术领域
本发明属于金属纳米线制备领域，特别涉及一种制备Cr-Mn复合纳米线的方法，该方法可在一定真空度条件下利用蒸发-冷凝的原理制备Cr-Mn复合纳米线。
背景技术
金属纳米线是一种新型功能材料，因其特殊的结构和突出的性能在光学、电学、磁学、热学、催化、传感器等诸多领域有潜在的应用价值，例如，Au纳米线可作为多种离子的传感器进行离子识别，还可作为导电介质来提高心肌补丁的导电性；Ag纳米线可用于制备透明导电薄膜、透明电极指纹传感器；ZnO纳米线可用于光催化器、气体探测器、太阳能电池、光探测器、发光二极管、激光器等器件中。
对金属纳米线进行参杂可以赋予金属纳米线更多的性能，如利用Cr(或Mn)元素对Ti纳米管进行掺杂可实现对NOx的选择性还原([1]Boningari,T.；Pappas,D.K.；Smirniotis,P.G.Metal Oxide-Confined Interweaved Titania Nanotubes M /TNT(M ＝Mn,Cu,Ce,Fe,V,Cr,and Co)for the Selective Catalytic Reduction of NOX in thePresence of Excess Oxygen.J.Catal.2018,365,320–333.)；利用Cr(或Mn)元素对ZnO进行掺杂可以实现室温下的空位增强，并具有很高的磁稳定性([2]Zhong,M.；Li,Y.；Hu,Y.；Zhu,M.；Li,W.；Jin,H.；Wang,S.；Li,Y.；Zhao,H.Enhancement of Zinc Vacancies inRoom-Temperature Ferromagnetic Cr-Mn Codoped ZnO Nanorods Synthesized byHydrothermal Method under High Pulsed Magnetic Field.J.Alloys Compd.2015,647,823–829.)
Cr和Mn元素除了掺杂金属纳米线以外，其自身形成的纳米线也具有特殊的铁磁性。有研究报道Si、Ge、As掺杂的Cr或Mn纳米线理论上具有稳定的磁性增强及线性化等优点([3]Bala,A.；Singh,P.；Nautiyal,T.；Auluck,S.Magnetic CrX and MnX(X＝Si,Ge,andAs)Nanowires:Stability Enhancement and Linearization.J.Alloys Compd.2013,547,138–146.)；又有研究报道了Mn纳米链的磁性能特征，结果显示自旋耦合的Mn纳米链将发生明显的磁方向转变，这一特殊性有望实现Mn纳米链在量子信息装置方面的应用([4]C.F.Hirjibehedin,C.P.Lutz,A.J.Heinrich.Spin Coupling in Engineered AtomicStructures.Science.2006,312,1021-1024.)。
参考文献[3]所述的Cr或Mn纳米线是基于一种理论的模拟计算，并没有涉及Cr或Mn纳米线实物。而参考文献[4]所述的Mn纳米线是利用电子隧道显微镜(STM)中的探针组装了具有10个Mn原子的纳米链。目前，关于Cr和Mn纳米线的制备鲜有文献报道。
在专利方面，有日本专利报道了利用激光束制备Mn纳米线的方法，其原理是利用激光束照射浸泡在水溶液中的Mn板使其蒸发，蒸发出来的Mn原子在水溶液中结晶出Mn纳米线。该水溶液中含有一定浓度的表面活性剂，有利于Mn纳米线的形成([5]T.Kondo,F.Mafune,J.Kono,Y.Takeda,JP.Method For Producing Manganese Material AndManganese Matarial.Patent No.2003002651.)。
本专利发明了一种新的制备Cr-Mn复合纳米线的方法。一种采用真空热沉积的方法，以不锈钢网作为蒸发源，以金属Sn蒸气作为催化剂，来制备Cr-Mn复合纳米线。该方法没有任何文献有过报道或任何专利有过涉及，是一种全新的方法，具有显著的创造性。
发明内容
本发明内容首次提出一种Cr-Mn复合纳米线的制备方法。所述方法以不锈钢网作为蒸发源，在一定真空度和一定温度下，使其中的Cr、Mn元素蒸发，借助金属Sn蒸气的催化作用，使Cr、Mn元素蒸气在不锈钢网表面冷凝沉积，最终得到Cr-Mn复合纳米线。
一种制备Cr-Mn复合纳米线的方法，其特征在于：将Sn球置于样品室底部，以不锈钢网作为蒸发源，在一定真空度和一定温度下，使其中的Cr、Mn元素蒸发，借助金属Sn蒸气的催化作用，使Cr、Mn元素蒸气在不锈钢网表面冷凝沉积，最终得到Cr-Mn复合纳米线。
进一步地，所述不锈钢网为1500目的304不锈钢网。
进一步地，所述一定温度为800℃～900℃，保温时间为4小时。
进一步地，所述一定真空度为10-1Pa。
进一步地，所述金属Sn是作为Cr-Mn复合纳米线形成的催化剂。
进一步地，所述制备Cr-Mn复合纳米线的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)将Sn球置于样品室底部，将304不锈钢网竖直放置于样品室中，距离Sn球的高度为20mm，将样品室垂直放入真空室底部，将真空室垂直放入管式炉中；
b)打开机械泵，将真空室抽至10-1Pa；
c)打开管式炉，加热真空室，待加热到800～900℃后，在该温度下保持4h，然后停止加热，关闭机械泵，将真空室从管式炉中移出，空冷至室温；
将样品室从真空室中取出，并将样品室中的不锈钢网取出，放入含有酒精的烧杯中进行超声波震荡，最后烘干烧杯中的酒精，得到Cr-Mn复合纳米线。
沉积用的样品室为高12cm，横截面为Ф10mm的石英管，底部封口，用于放置Sn球。顶部开口，利于金属蒸气的排放。不锈钢网在Sn球的上方20mm处(见附图3)。
本发明详细步骤如下：
首先，将尺寸为Ф5mm的Sn球置于样品室底部，再将不锈钢网竖直置于样品室中，使其与Sn球垂直距离为20mm。再将样品室垂直放入真空室中。然后将真空室垂直放入加热炉中，调整真空室位置，使其位于管式炉的加热区。将真空室与机械泵机组用直径为25mm，长为1.5m的波纹管连接。
其次，打开机械泵，将真空室真空度抽至10-1Pa，使真空室内压力保持在10-1Pa。
再次，开始加热。待加热到预定蒸发温度(800℃～900℃)后，在该温度下沉积4h，然后关闭管式炉停止加热，关闭机械泵，将真空室从加热炉中抽出，放置于空气中空冷至室温。
最后，打开真空室与波纹管连接处的法兰，将样品室取出，并取出不锈钢网，放入含有酒精的烧杯中进行超声波震荡，最后烘干烧杯中的酒精，得到Cr-Mn复合纳米线。
在此工艺过程中发生的主要化学反应为：
Cr/Mn(s)＝Cr/Mn(g) (1)
Figure BDA0001864211300000041
反应式(1)：不锈钢网加热到800℃～900℃时，Cr/Mn原子从不锈钢网蒸发出来变为气态，即Cr/Mn蒸气。
反应式(2)：在较低温度的不锈钢网上，在金属Sn的催化作用下Cr/Mn蒸气冷凝生成固态的Cr-Mn复合纳米线。
本发明的制备系统包括管式炉、机械泵、真空室、样品室、不锈钢网等。
本发明具有以下优点：工艺简单，成本低廉，收得率高，制备量大等优点。
附图说明
图1是本发明制备的Cr-Mn复合纳米线的透射电镜图像；
图2是本发明制备的Cr-Mn复合纳米线的成分分析图像；
(a)为Cr-Mn复合纳米线的HADDF图像，(b)为Cr-Mn复合纳米线的EDS成分组合图像，(c)为Cr-Mn复合纳米线EDS成分分析中Cr元素的分布图像；(d)为Cr-Mn复合纳米线EDS成分分析中Mn元素的分布图像；(e)为Cr-Mn复合纳米线EDS成分分析中Sn元素的分布图像；
图3是本发明的制备装置示意图；
具体实施方式
通过下述实施例能更好的理解本发明，但实施例并不用来限制本发明。
实施例1
如图3所示，首先，将Ф5mm的Sn球置于样品室底部，再将不锈钢网插入样品室中，使其与Sn球垂直距离为20mm。再将样品室垂直放入真空室中。然后将真空室垂直放入管式炉中，调真空室位置，使其位于管式炉的加热区。将真空室与机械泵用直径为25mm，长为1.5m的波纹管连接。其次，打开机械泵，将真空室真空度抽至10-1Pa。再次，开始加热。待加热到800℃后，在该温度下沉积4h，然后关闭炉子电源停止加热。再关闭机械泵。然后将真空室从管式炉中抽出，放置于空气中空冷至室温。最后，打开真空室与波纹管连接处的法兰，将样品室取出。取出不锈钢网，放入含有酒精的烧杯中进行超声波震荡，最后烘干烧杯中的酒精，得到Cr-Mn复合纳米线。
实施例2
如图3所示，首先，将Ф5mm的Sn球置于样品室底部，再将不锈钢网插入样品室中，使其与Sn球垂直距离为20mm。再将样品室垂直放入真空室中。然后将真空室垂直放入管式炉中，调真空室位置，使其位于管式炉的加热区。将真空室与机械泵用直径为25mm，长为1.5m的波纹管连接。其次，打开机械泵，将真空室真空度抽至10-1Pa。再次，开始加热。待加热到900℃后，在该温度下沉积4h，然后关闭炉子电源停止加热。再关闭机械泵。然后将真空室从管式炉中抽出，放置于空气中空冷至室温。最后，打开真空室与波纹管连接处的法兰，将样品室取出。取出不锈钢网，放入含有酒精的烧杯中进行超声波震荡，最后烘干烧杯中的酒精，得到Cr-Mn复合纳米线。

Claims (5)

1.一种制备Cr-Mn复合纳米线的方法，其特征在于：所述方法将Sn球置于样品室底部，以不锈钢网作为蒸发源，在10-1Pa真空度和800℃～900℃温度下，使其中的Cr、Mn元素蒸发，借助金属Sn蒸气的催化作用，使Cr、Mn元素蒸气在不锈钢网表面冷凝沉积，最终得到Cr-Mn复合纳米线。
2.根据权利要求1所述制备Cr-Mn复合纳米线的方法，其特征在于，所述不锈钢网为1500目的304不锈钢网。
3.根据权利要求1所述制备Cr-Mn复合纳米线的方法，其特征在于，所述温度保温时间为4小时。
4.根据权利要求1所述制备Cr-Mn复合纳米线的方法，其特征在于，所述金属Sn是作为Cr-Mn复合纳米线形成的催化剂。
5.根据权利要求1所述制备Cr-Mn复合纳米线的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)将Sn球置于样品室底部，将304不锈钢网竖直放置于样品室中，距离Sn球的高度为20mm，将样品室垂直放入真空室底部，将真空室垂直放入管式炉中；
b)打开机械泵，将真空室抽至10-1Pa；
c)打开管式炉，加热真空室，待加热到800～900℃后，在该温度下保持4h，然后停止加热，关闭机械泵，将真空室从管式炉中移出，空冷至室温；
d)将样品室从真空室中取出，并将样品室中的不锈钢网取出，放入含有酒精的烧杯中进行超声波震荡，最后烘干烧杯中的酒精，得到Cr-Mn复合纳米线。
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