CN111235610A - 一种磁电协同作用沉积纳米材料的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料科学与工程技术领域，公开了一种磁电协同作用沉积纳米材料的装置及方法，由圆片状强磁铁、带内凹槽的圆筒状石墨电极、快速拆装电解槽和待处理电极材料组成；快速拆装电解槽由卡箍接头、O型垫圈、圆形密封垫片、快速卡箍和盲板堵头组成；圆片状强磁铁放置于圆筒状石墨电极的内凹槽内，石墨电极放置于快速拆装电解槽上端，卡箍接头和盲板堵头通过中间的快速卡箍进行连接，O型垫圈和密封垫片夹设在卡箍接头和盲板堵头中间，待处理电极材料夹设在O型垫圈和密封垫片中间。本发明装置不仅具有简单、可快速拆装、容易实现磁电协同作用沉积纳米材料，而且可以实现磁场与电场协同作用方向夹角0‑30度任意角度的精密控制。

Description

一种磁电协同作用沉积纳米材料的装置及方法
技术领域
本发明属于材料科学与工程技术领域，尤其涉及一种磁电协同作用沉积纳米材料的装置及方法。
背景技术
目前，电沉积技术已经成为制备金属、合金、氧化物和导电有机聚合物等纳米材料制备的重要方法之一，但仅仅依靠单一施加电场实现电沉积技术存在制备的纳米材料具有序性和结晶度均较差等缺点。为了满足新技术、新产品和新工艺对结构有序化、功能化和集成化的纳米材料发展需求，电沉积方法也从单一电沉积技术向声、光、磁与电沉积协同作用制备纳米材料转变。因为磁场与电解液中的电场、电极材料和电解质溶液之间的相互作用可以加快质量传输速度、提高沉积电流效率和改变电解液中离子的运动轨迹，可提高电极上电沉积纳米材料的结晶度和有序性，因此科学家进行了大量的磁电协同作用沉积纳米材料方法和机理研究，但是他们采用磁诱导电沉积装置均具有简单、粗放型、控制精度差等缺点。因此，如何设计和发展一款可快速拆装、磁场大小和方向均可调，实现磁场与电场协同作用来制备纳米材料集成化装置和方法成为提升电沉积纳米材料品质的关键。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)通过单一施加电场实现电沉积技术存在制备的纳米材料具有序性和结晶度均较差的问题；
(2)现有的电沉积装置具有过于粗放、拆装困难和不紧凑、难以实现精密控制的缺点；
(3)电场和磁场协同方向难以调节的问题。
解决上述问题的技术难度：如何解决磁诱导电沉积装置的粗放，拆装困难，精密控制等问题。
解决上述问题的意义：装置的快速拆装可以节省时间，电场、磁场和强度协同方向及其作用于电极材料的角度的精密控制不仅能够沉积出高度有序和高结晶度材料，为纳米材料的器件化和微型化提供物质基础，而且探索电沉积制备高度有序和结晶度材料形成机理提供精细实验装置。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种磁电协同作用沉积纳米材料的装置及方法，是一种新型的在外加磁场诱导下，用电沉积制备纳米材料的装置和方法。
本发明是这样实现的，一种磁电协同作用沉积纳米材料的装置包括：
圆片状强磁铁、带内凹槽的圆筒状石墨电极、快速拆装电解槽和待处理电极材料；
所述快速拆装电解槽由卡箍接头、O型垫圈、圆形密封垫片、快速卡箍和盲板堵头组成；
所述圆片状强磁铁放置于圆筒状石墨电极的内凹槽内，石墨电极放置于快速拆装电解槽上端，卡箍接头和盲板堵头通过中间的快速卡箍进行连接，O型垫圈和密封垫片夹设在卡箍接头和盲板堵头中间，待处理电极材料夹设在O型垫圈和密封垫片中间。
进一步，所述卡箍接头包括上端的放置筒状石墨电极的膨大端、中部直筒的电解槽和下端的与卡箍连接的接头端。
进一步，所述O型垫圈、待处理电极材料和圆形密封垫片的侧面均一体化设置有耳部。
进一步，所述O型垫圈和密封垫片采用绝缘乳胶材料。
进一步，所述卡箍接头采用材料为耐酸碱、耐高温的透明塑料或聚四氟乙烯。
进一步，强磁铁圆片优选片状钕铁硼等强磁铁，可以多片叠加增加磁场强度，将外径为Φ1数片强磁铁圆片放置于圆筒石墨电极的内径为Φ3内凹槽内中，因此Φ1必需小于Φ3，石墨电极的外径为Φ2大于Φ3,Φ2-Φ3为筒状石墨电极的壁厚，筒状石墨电极正下端有一圆柱状突起，其外径为Φ4小于电解槽中部管径Φ7有利于电极与电解液充分接触，可快速拆装电解槽的快速卡箍的两端异径、两端开口开放式卡箍接头优选耐酸碱和耐温的透明塑料或聚四氟乙烯，其一端膨大部分，其内外径分别为Φ6和Φ5，其内径Φ6须大于筒状石墨电极的外径Φ2，其中两端异径、两端开口开放式卡箍接头一端、带耳O型垫片、带耳的电极材料、带耳的圆形垫片和与快速卡箍连接盲板堵头端的外径均为Φ8，电解槽的内径、带耳的O型垫片内径为Φ7与可处理电极材料表面的直径一致。快速卡箍盲板接头内凹槽和圆筒状石墨电极的内凹槽内径均为Φ3，将与上端石墨电极内凹槽片数一样的钕铁硼磁铁圆片放入其中，形成均匀的磁场，将石墨电极的筒壁和电极材料接上电源，就组成了磁电协同作用沉积纳米材料的电化学装置。
本发明的另一目的在于提供一种磁电协同作用沉积纳米材料的装置的制作方法，所述磁电协同作用沉积纳米材料的装置的制作方法具体包括以下步骤：
步骤一、将圆筒状石墨电极和快速卡箍盲板接头的内凹槽分别装入相同片数的强磁铁圆片，磁场方向石墨电极指向盲板接头；
步骤二、将两端异径、两端开口开放式卡箍接头、带耳的O型垫片，带耳的圆片状电极材料、带耳的圆形垫片和内凹槽已装强磁铁的快速卡箍盲板接头组装起来；
步骤三、将快速卡箍的两端异径、两端开口开放式卡箍接头中部细径的部分注满电解质溶液，再将石墨电极放置于两端开口开放式卡箍接头的上部的膨大端中，将石墨电极的突出圆柱与电解液接触，对电解液加外磁场；
步骤四、圆筒状石墨电极筒壁和电极材料的耳部分别与电源连接，对电解液施加电场；
步骤五、在筒状石墨电极和快速卡箍盲板接头的内凹槽底部添加一定坡度的垫片，实现电场和磁场方向形成一定夹角协同作用于电极材料表面和电解质溶液，多角度获得磁电协同作用如何影响电沉积纳米材料结构和功能。
进一步，步骤五中，更换不同坡度垫片改变磁电协同作用的方向时，调节电场方向和磁场协同方向之间的夹角在0-30度方位内任意变化。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：相对于传统的单一施加电场电沉积制备纳米材料的装置和方法，本发明公开的在磁电协同作用下制备纳米材料装置和方法，不仅具有装置简单、可快速拆装、容易实现磁电协同作用沉积纳米材料，而且得到的纳米材料具有结晶度和有序性高的特点，该装置和方法可以广泛应用于沉积结晶度高和有序性优良的各种形态纳米材料如：一维和二维的金属、合金或氧化物等。
附图说明
图1是本发明实施例提供的磁电协同作用沉积纳米材料的装置的制作方法流程图。
图2是本发明实施例提供的磁电协同作用沉积纳米材料的装置结构示意图；
图中：1、强磁铁；2、石墨电极；2-1、筒壁；3、卡箍接头；3-1、膨大端；3-2、接头端；4、O型垫圈；5、待处理电极材料；5-1、耳部；6、密封垫片；7、快速卡箍；8、盲板堵头。
图3是磁场与电场平行时磁电协同作用沉积金属原理图；
图中9、溶液中阳离子；10、磁力线；11、电源；12、电场线；13、金属原子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的磁电协同作用沉积纳米材料的装置的制作方法包括：
S101：将圆筒状石墨电极和快速卡箍盲板接头的内凹槽分别装入相同片数的强磁铁圆片，磁场方向石墨电极指向盲板接头。
S102：将两端异径、两端开口开放式卡箍接头、带耳的O型垫片，带耳的圆片状电极材料、带耳的圆形垫片和内凹槽已装强磁铁的快速卡箍盲板接头组装起来。
S103：将快速卡箍的两端异径、两端开口开放式卡箍接头中部细径的部分注满电解质溶液，再将石墨电极放置于两端开口开放式卡箍接头的上部的膨大端中，将石墨电极的突出圆柱与电解液接触，对电解液加外磁场。
S104：圆筒状石墨电极筒壁和电极材料的耳部分别与电源连接，对电解液施加电场。
S105：在筒状石墨电极和快速卡箍盲板接头的内凹槽底部添加一定坡度的垫片，实现电场和磁场方向形成一定夹角协同作用于电极材料表面和电解质溶液，多角度获得磁电协同作用如何影响电沉积纳米材料结构和功能。
下面结合具体实施例对本发明的方案进一步进行描述。
如图2所示，是本发明实施例提供的磁电协同作用沉积纳米材料的装置结构示意图，其中左边为磁电协同作用沉积纳米材料的装置剖面示意图，右边为各部件的示意简图。
对装置施加均匀磁电场：圆片状强磁铁(1)的外径圆Φ1小于筒状石墨电极(2)和快速卡箍盲板接头(8)的内凹槽内径Φ3，但不能太小，保证圆片状强磁铁能刚好放入内凹槽中，不晃动即可，而圆片状强磁铁(1)的外径圆Φ1必须远远大于快速卡箍的两端异径、两端开口开放式卡箍接头中部细径Φ7，保证施加于电解质和电极材料的磁场为均匀磁场；带内凹槽的石墨电极(2)的外径Φ2和电极材料(5)的外径Φ8需远远大于Φ7，保证施加于电解质溶液和电极材料的电场为均匀电场。装置采用带耳的O型垫片(4)，带耳的圆片状电极材料(5)和带耳的圆形垫片(6)的目的是将电极材料(5)的耳部(5-1)夹在O型垫片(4)和圆形垫片(6)的耳部中间，起到绝缘的作用，保证施加电场只加在电极材料和电解液上，而不是施加在不锈钢的快速卡箍(7)和快速卡箍盲板接头(8)上。
磁电协同作用沉积材料：首先将圆筒状石墨电极(2)和快速卡箍盲板接头(8)的内凹槽分别装入相同片数的圆片状强磁铁(1)，磁场方向石墨电极指向盲板接头。然后将两端异径、两端开口开放式卡箍接头(3)、带耳的O型垫片(4)，带耳的圆片状电极材料(5)、带耳的圆形垫片(6)、快速卡箍(7)和内凹槽已装强磁铁的快速卡箍盲板接头(8)快速组装起来，再将快速卡箍的两端异径、两端开口开放式卡箍接头中部细径的部分注满电解质溶液，再将石墨电极(2)放置于两端开口开放式卡箍接头的上部的膨大端(3-1)中，使石墨电极的突出圆柱与电解液充分接触，实现对电解液加外磁场。最后，将圆筒状石墨电极筒壁(2-1)和电极材料的耳部(5-1)分别与电源电极连接，实现对电解液施加电场。在一定的实验条件下就可以实现磁电协同作用沉积纳米材料。此时，电场和磁场相互平行，沿垂直方向协同作用于电极材料表面。如果在筒状石墨电极和快速卡箍盲板接头的内凹槽底部添加一定坡度的垫片，实现电场和磁场方向形成一定夹角协同作用于电极材料表面和电解质溶液，多角度获得磁电协同作用如何影响电沉积纳米材料结构和功能，但用更换不同坡度垫片改变磁电协同作用的方向时，垫片厚度不能太厚，垫片坡度不能太大，调节电场方向和磁场协同方向之间的夹角一般在0-30度的角度范围内任意调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁电协同作用沉积纳米材料的装置，其特征在于，所述磁电协同作用沉积纳米材料的装置包括：
圆片状强磁铁、带内凹槽的圆筒状石墨电极、快速拆装电解槽和待处理电极材料；
所述快速拆装电解槽由卡箍接头、O型垫圈、圆形密封垫片、快速卡箍和盲板堵头组成；
所述圆片状强磁铁放置于圆筒状石墨电极的内凹槽内，石墨电极放置于快速拆装电解槽上端，卡箍接头和盲板堵头通过中间的快速卡箍进行连接，O型垫圈和密封垫片夹设在卡箍接头和盲板堵头中间，待处理电极材料夹设在O型垫圈和密封垫片中间。
2.如权利要求1所述的磁电协同作用沉积纳米材料的装置，其特征在于，所述卡箍接头包括上端的放置筒状石墨电极的膨大端、中部直筒的电解槽和下端的与卡箍连接的接头端。
3.如权利要求1所述的磁电协同作用沉积纳米材料的装置，其特征在于，所述O型垫圈、待处理电极材料和圆形密封垫片的侧面均一体化设置有耳部。
4.如权利要求1所述的磁电协同作用沉积纳米材料的装置，其特征在于，所述O型垫圈和密封垫片采用绝缘乳胶材料。
5.如权利要求1所述的磁电协同作用沉积纳米材料的装置，其特征在于，所述强磁铁圆片采用材料为钕铁硼的强磁铁。
6.如权利要求1所述的磁电协同作用沉积纳米材料的装置，其特征在于，所述卡箍接头采用材料为耐酸碱、耐高温的透明塑料或聚四氟乙烯。
7.如权利要求1-6任意一项所述的磁电协同作用沉积纳米材料的装置的制作方法，其特征在于，所述磁电协同作用沉积纳米材料的装置的制作方法具体包括以下步骤：
步骤一、将圆筒状石墨电极和快速卡箍盲板接头的内凹槽分别装入相同片数的强磁铁圆片，磁场方向石墨电极指向盲板接头；
步骤二、将两端异径、两端开口开放式卡箍接头、带耳的O型垫片，带耳的圆片状电极材料、带耳的圆形垫片和内凹槽已装强磁铁的快速卡箍盲板接头组装起来；
步骤三、将快速卡箍的两端异径、两端开口开放式卡箍接头中部细径的部分注满电解质溶液，再将石墨电极放置于两端开口开放式卡箍接头的上部的膨大端中，将石墨电极的突出圆柱与电解液接触，对电解液加外磁场；
步骤四、圆筒状石墨电极筒壁和电极材料的耳部分别与电源连接，对电解液施加电场；
步骤五、在筒状石墨电极和快速卡箍盲板接头的内凹槽底部添加一定坡度的垫片，实现电场和磁场方向形成一定夹角协同作用于电极材料表面和电解质溶液。
8.如权利要求7所述的磁电协同作用沉积纳米材料的装置的制作方法，其特征在于，步骤五中，更换不同坡度垫片改变磁电协同作用的方向时，调节电场方向和磁场协同方向之间的夹角在0-30度之间任意变化。
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