CN112206782B - 含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片及其制备方法。所述方法以镍为阳极，以铜基片为阴极，以含有2.5～2.7g/L纳米级MnO2的瓦特镀液为电镀液，控制电镀时间为10～20min，电镀液温度为34℃～40℃，电镀电流强度为800～1600μA，电镀得到含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片。本发明的Ni/MnO2复合镀层在微流控下能够高效的催化过氧化氢分解，含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片适用于以过氧化氢为推进剂的微推进器的微催化室内。
Description
技术领域
本发明属于复合镀膜制备技术领域，涉及一种含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片及其制备方法。
背景技术
高发射成本和高发射技术难度限制了大型航天器的发展，同时以微机电系统(Micro Electro Mechanical System，MEMS)为代表的多种微系统技术的出现，使得航天器逐步小型化，并且由许多颗低成本的微型卫星组成星群代替大型、高成本的卫星系统是当前发展的趋势。星群中的每一颗微型卫星只执行单项任务，某一颗卫星的失效不会影响整个星群的任务，某个部件的损坏不会给星群系统造成灾难性后果，所以降低了任务风险。因此，研发成本低、设计周期短、功能密度高的微纳卫星，构成星群后将能完成大卫星无法完成的任务，应用前景十分广阔。
MEMS微推进系统作为一个新兴的研究领域，逐步引起世界各国的关注。同时推进剂的无毒化是航天发展的必然趋势。过氧化氢具有良好的储存性能，高的密度比冲且价格低廉。作为单组元推进剂，过氧化氢分解产物为过热水蒸汽和氧气，极为绿色环保，并且过氧化氢不会自燃，在相对较低的温度下即可被催化分解。
催化分解技术是过氧化氢发动机的关键技术之一，过氧化氢的催化分解，依据其不同的工作条件需要选取不同的催化剂——液态催化剂、颗粒催化剂、银网催化剂、层板催化剂床等。目前，在微纳卫星研究领域最常见的催化剂是银网催化剂床，即在金属网，如镍、镍铬合金及不锈钢等网片上，通过电镀的方法镀银。但是，一方面，银的价格较高；另一方面，当过氧化氢浓度较大时，银容易熔化流失导致催化效率下降，甚至会磨损堵塞喷口，因此研究一种可用于催化高纯过氧化氢的微催化芯片极具价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、方便可行的含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片及其制备方法。该催化剂芯片可用于单组元微推进剂器的催化室中，能够高效的催化过氧化氢分解。
实现本发明目的的技术方案如下：
含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片的制备方法，具体步骤如下：
以镍为阳极，以铜基片为阴极，以含有2.5～2.7g/L纳米级MnO2的瓦特镀液为电镀液，电镀得到含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片，电镀时间为10～20min，电镀液温度为34℃～40℃，电镀电流强度为800～1600μA。
所述的铜基片经过清洗和打磨处理，具体为将铜基片在丙酮溶液中超声清洗40min以上，然后用砂纸打磨表面，洗净。
优选地，所述的纳米MnO2粒径范围为50～1000nm。
所述的瓦特镀液为电镀过程中常规使用的配方组成，在本发明具体实施例中，所述的瓦特镀液包括以下组分：十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)0.8g/L，六水合硫酸镍125g/L，六水合氯化镍42g/L，硼酸35g/L、十二烷基硫酸钠0.1g/L。
优选地，电镀过程中，对电镀液进行搅拌，搅拌速度为400～800rpm。
本发明还提供上述含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片在微流控催化过氧化氢分解中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明采用复合电镀方法制备的以铜为基片的Ni/MnO2复合镀层，电镀方法简易、方便，得到的催化剂芯片在微尺度条件下，该催化剂芯片具有较大比表面积，与过氧化氢接触面积大，可加快催化效率。在微流控单组元推进器中可以高效的催化过氧化氢分解，产生大量气体，气体高速喷出，产生推力。
附图说明
图1为本发明电镀实验流程示意图；
图2为实施例1，即MnO2粒径为50nm时的复合电镀图像(a)及与过氧化氢反应图像(b)；
图3为实施例2，即MnO2粒径为100nm时的复合电镀图像(a)及与过氧化氢反应图像(b)；
图4为实施例3，即MnO2粒径为500nm时的复合电镀图像(a)及与过氧化氢反应图像(b)；
图5为实施例4，即MnO2粒径为1000nm时的复合电镀图像(a)及与过氧化氢反应图像(b)；
图6为高速摄影仪拍摄的微流控下的过氧化氢与催化剂芯片反应图像，分别为50nm(a)、100nm(b)、500nm(c)、1000nm(d)。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
下述实施例中采用的瓦特镀液的配制：0.2g CTAB，31.25g六水合硫酸镍，10.458g六水合氯化镍，8.75g硼酸，0.025g十二烷基硫酸钠和0.66g MnO2，溶于250mL去离子水中。
实施例1
含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)铜片基底表面预处理
紫铜基片先使用丙酮溶液在超声仪中超声清洗40min，再用砂纸打磨铜基片表面，有明显的打磨痕迹后用去离子水洗净，置于去离子水中。
(2)含有纳米MnO2的电镀液制备：
本实施例中选用加入的纳米MnO2粒径为50nm。将纳米MnO2加入瓦特镀液中，在100W功率的超声下超声40min，使溶液中各粒子混合均匀。
(3)电镀：
以镍为阳极，以铜基片为阴极，以含有纳米MnO2的电镀液为电镀液，进行电镀，电镀时间为10min，电镀液温度40℃，搅拌棒转速400转/min，电流强度1200μA。电镀完成后，用去离子水冲洗并擦干得到含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片。
实施例1所得到的复合镀层的基片样例如图2(a)所示，其与30％过氧化氢反应情况如图2(b)所示，在微流控下与60％过氧化氢反应如图6(a)所示，可见此方法下，电镀沉积得到的复合镀层在微流控下具有良好的催化效果。
实施例2
含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)铜片基底表面预处理
紫铜基片先使用丙酮溶液在超声仪中超声清洗40min，再用砂纸打磨铜基片表面，有明显的打磨痕迹后用去离子水洗净，置于去离子水中；
(2)含有纳米MnO2的电镀液制备：
本实施例中选用加入的纳米MnO2粒径为100nm。将纳米MnO2加入瓦特镀液中，在100W功率的超声下超声40min，使溶液中各粒子混合均匀。
(3)电镀：
以镍为阳极，以铜基片为阴极，以含有纳米MnO2的电镀液为电镀液，进行电镀，电镀时间为15min，电镀液温度36℃，搅拌棒转速800转/min，电流强度800μA。电镀完成后，用去离子水冲洗并擦干得到含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片。
实施例2所得到的复合镀层的基片样例如图3(a)所示，其与30％过氧化氢反应情况如图3(b)所示，在微流控下与60％过氧化氢反应如图6(b)所示，可见此方法下，电镀沉积得到的复合镀层在微流控下具有良好的催化效果。
实施例3
含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)铜片基底表面预处理
紫铜基片先使用丙酮溶液在超声仪中超声清洗40min，再用砂纸打磨铜基片表面，有明显的打磨痕迹后用去离子水洗净，置于去离子水中；
(2)含有纳米MnO2的电镀液制备：
本实施例中选用加入的纳米MnO2粒径为500nm。将纳米MnO2加入瓦特镀液中，在100W功率的超声下超声40min，使溶液中各粒子混合均匀。
(3)电镀：
以镍为阳极，以铜基片为阴极，以含有纳米MnO2的电镀液为电镀液，进行电镀，电镀时间为15min，电镀液温度30℃，搅拌棒转速400转/min，电流强度1600μA。电镀完成后，用去离子水冲洗并擦干得到含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片。
实施例3所得到的复合镀层的基片样例如图4(a)所示，其与30％过氧化氢反应情况如图4(b)所示，在微流控下与60％过氧化氢反应如图6(c)所示，可见此方法下，电镀沉积得到的复合镀层在微流控下具有良好的催化效果。
实施例4
含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)铜片基底表面预处理
紫铜基片先使用丙酮溶液在超声仪中超声清洗40min，再用砂纸打磨铜基片表面，有明显的打磨痕迹后用去离子水洗净，置于去离子水中；
(2)含有纳米MnO2的电镀液制备：
本实施例中选用加入的纳米MnO2粒径为1000nm。将纳米MnO2加入瓦特镀液中，在100W功率的超声下超声40min，使溶液中各粒子混合均匀。
(3)电镀：
以镍为阳极，以铜基片为阴极，以含有纳米MnO2的电镀液为电镀液，进行电镀，电镀时间为10min，电镀液温度40℃，搅拌棒转速400转/min，电流强度1200μA。电镀完成后，用去离子水冲洗并擦干得到含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片。
实施例4所得到的复合镀层的基片样例如图5(a)所示，其与30％过氧化氢反应情况如图5(b)所示，在微流控下与60％过氧化氢反应如图6(d)所示，可见此方法下，电镀沉积得到的复合镀层在微流控下具有良好的催化效果。
Claims (3)
1.含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片在微流控催化过氧化氢分解中的应用，其特征在于，所述的含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片通过以下步骤制备：
以镍为阳极，以铜基片为阴极，以含有2.5~2.7g/L纳米级MnO2的瓦特镀液为电镀液，电镀得到含Ni/MnO2复合镀层的催化剂芯片，电镀时间为10~20min，电镀液温度为34℃~40℃，电镀电流强度为800~1600μA，所述的纳米级MnO2粒径范围为50~1000nm，所述的瓦特镀液包括以下组分：十六烷基三甲基溴化铵0.8 g/L、六水合硫酸镍125 g/L、六水合氯化镍42 g/L、硼酸35 g/L和十二烷基硫酸钠0.1g/L。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的铜基片先在丙酮溶液中超声清洗40min以上，然后用砂纸打磨表面，洗净。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，电镀过程中，对电镀液进行搅拌，搅拌速度为400~800rpm。
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