CN1934281A - 金属复合物及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供在含有通过电解法难以获得修饰金属粒子的金属的金属复合物中分散了碳纳米管的金属复合物的制造方法。制造由金属12形成的第1金属部分和由金属14形成的第2金属部分随机形成的金属复合物时,其特征在于,使用作为由金属12形成的金属粒子、以部分突出到前述金属粒子的外部的碳纳米管进行修饰而形成的修饰金属粒子,在前述第2金属部分中混入碳纳米管。
Description
技术领域
本发明涉及金属复合物及其制造方法,更具体涉及分散了碳纳米管的金属复合物及其制造方法。
背景技术
日本专利特开2000-223004号公报中提出了在金属内分散了碳纳米管的金属复合物的技术方案。
制造该金属复合物时,通过简单地混合直径200~1000nm的金属粒子和直径5~20nm的碳纳米管,由于两者的粒径差极大,所以难以获得两者均一混合的混合物。
因此,该公报中,通过在溶解了金属粒子的酸溶液中添加碳纳米管并分散后,进行干燥、烧结而获得金属复合物。
该公报中所提出的金属复合物的制造方法存在其工艺非常麻烦、需要较长时间、金属复合物的制造成本高的缺点。
针对所述公报的金属复合物的制造方法,本申请人在2003年9月2日发行的信浓每日新闻中提出了以下的技术方案:通过使用以特殊的分散剂分散了碳纳米管的含有金属离子的电解液的电解法,可以获得由图11所示的碳纳米管和铜等金属构成、碳纳米管的端部呈海胆状突出的修饰金属粒子,并且将所述修饰金属粒子热压接,可以形成散热性良好的金属复合物。
发明的揭示
采用本申请人在前述新闻报道中提出的技术,可以容易地获得在金属内分散了碳纳米管的金属复合物。
另外,已知存在通过电解法可以容易地获得修饰金属粒子的金属粒子(例如铜粒子)和通过电解法难以获得修饰金属粒子的金属粒子(例如铝粒子和合金粒子)。
但是,通过电解法难以获得修饰金属粒子的金属中存在如铝等在实现结构体的轻量化等时所必需的金属。
因此,即使是含有通过电解法难以获得修饰金属粒子的金属的金属复合物,若可以在金属复合物中分散碳纳米管,则可以获得具有良好的散热性及其它各种物性的金属复合物。
所以,本发明的课题在于提供在含有通过电解法难以获得修饰金属粒子的金属的金属复合物中分散了碳纳米管的金属复合物及其制造方法。
本发明人为了解决前述课题而反复研究后发现,通过使用以部分突出到通过电解法得到的由铜等形成的金属粒子的外部的碳纳米管进行修饰而形成的修饰金属粒子(以下也简称修饰金属粒子),可以在通过电解法难以获得修饰金属粒子的铝等金属中分散碳纳米管,从而完成了本发明。
即,本发明的金属复合物为由至少两种金属形成、由前述两种金属中的一种形成的第1金属部分和前述两种金属中的另一种形成的第2金属部分随机形成的金属复合物,其特征在于,前述第1金属部分和第2金属部分的至少一方中分散掺入有碳纳米管。
本发明中,通过以部分突出到由形成金属复合物的金属中的至少一种金属形成的金属粒子的外部的碳纳米管进行修饰而形成的修饰金属粒子,混入碳纳米管,因而即使是压缩成形时,也可以防止碳纳米管与金属粒子的分离。
作为该修饰金属粒子,可以优选地使用通过电解法或氧化还原法得到的修饰金属粒子。
在这里,采用电解法的修饰金属粒子可以通过在浸渍于分散了碳纳米管的电解液中的阴极和阳极间导通电流而获得。
另一方面,采用氧化还原法的修饰金属粒子可以通过氧化还原法获得,所述氧化还原法是形成由含有碳纳米管的难溶于水的金属盐或金属氧化物构成的复合粒子后、用还原前述复合粒子的金属盐或金属氧化物的还原剂进行还原处理。
此外,本发明的金属复合物的制造方法是由至少两种金属形成、由前述两种金属中的一种形成的第1金属部分和前述两种金属中的另一种形成的第2金属部分随机形成的金属复合物的制造方法,其特征在于,使用前述两种金属中的至少一种金属形成的修饰金属粒子,该粒子是以部分突出到前述金属粒子的外部的碳纳米管进行修饰而形成的修饰金属粒子,在前述第1金属部分和第2金属部分的至少一方混入碳纳米管。
本发明中,通过在将修饰金属粒子压缩成形而形成由多孔体构成的第1金属部分后,将形成第2金属部分的金属熔融而得到的熔融金属浸含到前述多孔体内,可以获得分散了碳纳米管的金属复合物。
在这里,通过熔融金属使用将采用电解法难以获得修饰金属粒子的金属熔融而得到的熔融金属,即使是通过电解法难以获得修饰金属粒子的金属,也可以容易地分散碳纳米管。
或者,通过将由形成第1金属部分的金属形成的修饰金属粒子和由形成第2金属部分的金属构成的金属粒子加热压缩成形,也可以容易地将碳纳米管分散到金属复合物中。
作为所述修饰金属粒子,可以优选地使用通过上述电解法或氧化还原法得到的修饰金属粒子。
附图的简单说明
图1为说明本发明的金属复合物的一例的简图。
图2为说明本发明中所使用的修饰金属粒子的一例的简图。
图3为说明本发明中所使用的修饰金属粒子的另一例的简图。
图4为说明将修饰金属粒子压缩成形得到的多孔体的简图。
图5为显示本发明的金属复合物的一例的电子显微镜照片。
图6为显示本发明中所使用的修饰金属粒子的一例的电子显微镜照片。
图7为使用图6所示的修饰金属粒子得到的金属复合物的横截面的显微镜照片。
图8为图7所示的金属复合物的断面的电子显微镜照片。
图9为使用图6所示的修饰金属粒子得到的另一金属复合物的横截面的显微镜照片。
图10为图9所示的金属复合物的断面的电子显微镜照片。
图11为以往的修饰金属粒子的电子显微镜照片。
实施发明的最佳方式
本发明的金属复合物的一例的概要示于图1。图1所示的金属复合物10由第1金属部分和第2金属部分构成,第1金属部分由将由金属12形成的金属粒子压缩成形为规定形状而形成多孔体构成,第2金属部分由进入该多孔体的空隙内的金属14形成。
该图1所示的金属复合物10中,构成由金属12形成的第1金属部分的多孔体中分散有碳纳米管16、16…。
金属复合物10中碳纳米管16、16…凝集而存在于局部的情况下,无法通过碳纳米管16、16…的混合来充分提高金属复合物10的电导率和热传导率等物性。
另外,将由金属12形成的金属粒子、由金属14形成的金属粒子和碳纳米管16、16…简单混合得到的混合物即使压缩成形为规定形状,在该工序中碳纳米管16、16…也容易与金属粒子分离。这是因为两者的粒径差和比重差极大。
因此,制造图1所示的金属复合物10时,使用图2所示的修饰金属粒子18和图3所示的修饰金属粒子20中的至少一种。图2所示的修饰金属粒子18中,碳纳米管16、16…的一部分突出到外部修饰粒子状的金属粒子22的外周面。
此外,图3所示的修饰金属粒子20中,碳纳米管16、16…的一部分突出到外部修饰纤维状的金属纤维24的外周面。
所述图2和图3所示的修饰金属粒子18、20可以分别单独使用,也可以两者同时使用。
所述图2和图3所示的修饰金属粒子18、20中,各碳纳米管16、16…的一部分分别包埋于金属粒子22或金属纤维24中,其余部分突出到金属粒子22或金属纤维24的外部。
具体来说,处于各碳纳米管16、16…的基部侧包埋在金属粒子22或金属纤维24中而前端侧突出的状态或其两端侧包埋在金属粒子22或金属纤维24中而中间部露出的状态,或者处于两种状态并存的状态。
所示修饰金属粒子18、20所使用的碳纳米管16可以是单层或多层,其一端或两端可以富勒烯状的帽封闭。
另外,碳纳米管16为其长度在直径的100倍以上的管状形态。
该碳纳米管16较好是使用直径为数nm到数百nm(例如300nm)的碳纳米管。
直径不到15nm的碳纳米管16的情况下,导电性会下降。该直径不到15nm的碳纳米管中,决定指定其结晶结构的螺旋方向的手性矢量(chiral vector)的两个整数n和m(手性指数(chiral index))满足n-m=3的倍数或n=m的情况下,产生导电性。
另一方面,直径在15nm以上的碳纳米管16于手性指数在上述条件之外的情况下也呈现出导电性。
这样的碳纳米管16不像石墨那样导电性具有各向异性,电流在表面的任何方向都可以流动。
因此,对于外周面以碳纳米管16修饰了的修饰金属粒子18、20,由于碳纳米管16之间或者碳纳米管16与其它金属粒子在表层面接触,因此至少金属粒子22或金属纤维24的最外层(接触层)以碳纳米管16修饰即可。
此外,被碳纳米管16修饰的金属粒子22或金属纤维24可以由容易被碳纳米管16修饰的金属、例如铜形成。
金属粒子22的形状除了球形之外,还可以是非球形或薄片状,其形状并不受限定。
为了获得图1所示内部结构的金属复合物10,首先制造图2和图3所示的修饰金属粒子18、20中的至少一种。
图2和图3所示的修饰金属粒子18、20分别可以通过在插入到分散了碳纳米管16、16…的电解液中的阴极和阳极之间导通电流进行电解,使含有修饰金属粒子18、20的金属粒子(金属粉)在阴极表面电解析出从而获得。
作为所述修饰金属粒子18、20,如果是由通过电解法容易析出的金属、例如铜形成的修饰金属粒子18、20,则可以容易地获得。
相反地,与由铜形成的修饰金属粒子18、20相比,通过通常条件下的电解难以得到由铝形成的修饰金属粒子18、20。此外,由合金构成的修饰金属粒子18、20原则上也难以通过通常条件下的电解得到。
由此,将通过电解法得到的粒子状修饰金属粒子18、18…和纤维状修饰金属粒子20、20…中的至少一方压缩成形,得到多孔体。对于该多孔体根据需要可以进行烧结。
所述压缩成形的工序中,也由于碳纳米管16、16…的一部分包埋在金属粒子22或金属纤维24中,因此即使施加压缩成形等的力,也可以防止金属粒子22或金属纤维24与碳纳米管16、16…分离。
将图2所示的修饰金属粒子18、18…压缩成形得到的多孔体30的概要示于图4。得到的多孔体30中,修饰金属粒子18、18…相互接触,同时修饰金属粒子18、18…间形成有空隙32、32…。碳纳米管16、16…相互缠绕,进入该空隙32内。
接着,将图4所示内部结构的多孔体30浸渍到与形成粒子状修饰金属粒子18的金属不同的金属熔融得到的熔融金属中,将熔融金属浸含到多孔体30内的空隙32、32…中。这时,较好是对多孔体30抽真空或加压的同时浸渍于熔融金属,将熔融金属强制浸含到多孔体30内。
然后,通过将浸含了熔融金属的多孔体30从熔融金属中取出并冷却,可以得到图1所示的金属复合物10。
图1所示的金属复合物10的由金属14形成的第2金属部分为被填充到作为第1金属部分的多孔体30的各个空隙32、32…中的熔融金属冷却而形成的部分。
碳纳米管16、16…相互缠绕并进入所述各个空隙32、32…中,在由金属14形成的第2金属部分中也分散有碳纳米管16、16…。
因此,例如使用由容易形成修饰金属粒子18的铜形成的金属粒子22,通过以碳纳米管16、16…修饰了金属粒子22的外周面的修饰金属粒子18形成作为第1金属部分的多孔体30后,将熔融铝浸含到多孔体30内,从而可以随机形成由作为金属12的铜形成的第1金属部分和由作为金属14的铝形成的第2金属部分,并且获得在第1金属部分中分散了碳纳米管16、16…的金属复合物10。
图4所示的作为第1金属部分的多孔体30通过将图2所示的粒子状修饰金属粒子18、18…压缩成形而得到,但也可以将图3所示的纤维状修饰金属粒子20、20…压缩成形来获得。
至此,作为图1所示的金属复合物10的制造方法,所说明的是在以碳纳米管16、16…修饰了的由金属12形成的金属粒子22或金属纤维24的粒子状或纤维状的修饰金属粒子18、20经压缩成形得到的形成第1金属部分的多孔体30中、浸含形成第2金属部分的金属14经熔融得到的熔融金属的制造方法,通过在形成第2金属部分的金属14经熔融得到的熔融金属中添加形成第1金属部分的粒子状修饰金属粒子18和纤维状修饰金属粒子20中的至少一种进行混练,也可以获得所述金属复合物。
另外,通过将由形成第1金属部分的金属12构成的粒子状修饰金属粒子18和纤维状修饰金属粒子20中的至少一种与由形成第2金属部分的金属14形成的金属粒子混合后,压缩成形制成规定形状的成形品,将该成形品加热,使由金属14形成的金属粒子熔融,也可以获得图1所示的金属复合物10。这时,金属14的熔点较好是比形成修饰金属粒子18、20的金属12低。
此外,作为粒子状修饰金属粒子18或纤维状修饰金属粒子20的制造方法,除了电解法之外,还可以采用各种制造方法。
例如,通过使碳纳米管16、16…飞散在非氧化气氛中,用压电泵将熔融金属粒子化或纤维化,注入到该非氧化气氛中,从而将碳纳米管16附着、固定在金属粒子22或金属纤维24的表面,由此可以获得所述修饰金属粒子。
另外,还可以通过将经混练分散了碳纳米管16、16…的熔融金属破碎并进行粒子化或纤维化来形成。
或者,通过氧化还原法,也可以获得粒子状修饰金属粒子18或纤维状修饰金属粒子20,即形成由含有碳纳米管16、16…的难溶于水的金属盐或金属氧化物构成的复合粒子,接着用还原前述金属盐或金属氧化物的还原剂对析出的复合粒子进行还原处理。
具体来说,通过在分散了碳纳米管16、16…的水溶液中溶解水溶性金属盐后,在分散碳纳米管16、16…的同时,向水溶液中添加与溶解于该水溶液的金属离子反应生成难溶于水的金属盐或金属氧化物的碱,析出由含有碳纳米管16、16…的难溶于水的金属盐或金属氧化物构成的复合粒子,接着用还原该金属盐或金属氧化物的还原剂对析出的复合粒子进行还原处理,从而可以获得粒子状修饰金属粒子18或纤维状修饰金属粒子20。
该氧化还原方法中,碳纳米管16、16…的分散可以通过在给予水溶液由超声波产生的冲击或搅拌机等产生的机械搅拌来搅拌水溶液的同时,添加分散剂来进行。作为该分散剂,只要是可以分散碳纳米管16、16…的表面活性剂即可,可以例举辛基苯氧基聚乙氧基乙醇、十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸。
为了使所述的碳纳米管16、16…的分散更容易地进行,较好是对添加了上述分散剂的水溶液给予由超声波产生的冲击。
另外,作为水溶性金属盐,可以优选地使用由铜、镍或银形成的水溶性金属盐,更好是由铜、镍或银形成的硫酸盐、硝酸盐或乙酸盐。
由这样形成的难溶于水的金属盐或金属氧化物构成的微细的复合粒子实质上为球状,是粒径1μm以下的含有碳纳米管16、16…的复合粒子。
另外,所述复合粒子在分散了碳纳米管16、16…的水溶液中形成,形成该复合粒子的过程中,可以将分散在水溶液中的碳纳米管16、16…带入到复合粒子中,形成的复合粒子中以均一分散的状态含有碳纳米管16、16…。
接着,通过将得到的复合粒子采用还原该难溶于水的金属盐或金属氧化物的还原剂进行还原处理,可以得到粒子状修饰金属粒子18或纤维状修饰金属粒子20。
作为所述还原剂,可以使用肼、肼化合物、甲醛、乙醛、甲酸、罗谢尔盐、羟胺、葡萄糖和过氧化氢中的1种或2种以上。该还原剂可以添加到沉淀有由金属盐或金属氧化物构成的复合粒子的水溶液中,也可以使从水溶液分离出的由金属盐或金属氧化物构成的复合粒子与还原剂直接接触而使该金属盐或金属氧化物还原。
由于水溶液中添加的还原剂产生的还原反应或添加的表面活性剂而发泡的情况下,可以添加醇等消泡剂。
采用这些修饰金属粒子18、20的制造方法,即使是难以通过电解法获得修饰金属粒子18、20的金属14,也可以获得修饰金属粒子18、20。
因此,通过将由形成第1金属部分的金属12构成的粒子状修饰金属粒子18和纤维状修饰金属粒子20中的至少一种与由形成第2金属部分的金属14构成的粒子状修饰金属粒子18和纤维状修饰金属粒子20中的至少一种混合并压缩成形,可以获得图1所示的金属复合物10。这时,压缩成形后也可以根据需要进行烧结。
使用至此所说明的图1所示的金属复合物10,通过化学溶解或熔融仅将形成修饰金属粒子18、20的金属12除去,可以制成在金属14中分散了碳纳米管16、16…的金属复合物。
另外,在除去了金属12的金属复合物中可以浸含由金属14形成的熔融金属,也可以浸含由其它金属形成的熔融金属。
此外,代替图1所示的金属复合物10,可以采用由金属14形成的第2金属部分之间被分散了碳纳米管16、16…的由金属12构成的第1金属部分填充的金属复合物。
所述金属复合物可以通过将由金属14形成的金属粒子与粒子状修饰金属粒子18和纤维状修饰金属粒子20中的至少一种混合后进行加热压缩成形而获得。
将由金属14形成的金属粒子与粒子状修饰金属粒子18和纤维状修饰金属粒子20中的至少一种混合并压缩成形后,可以再进行烧结。
(实施例1)
在插入到分散了直径200nm的碳纳米管16、16…的电解液中的阴极和阳极间导通电流,使铜粒子在阴极表面电解析出。根据对该铜粒子的电子显微镜照片,如图2所示,获得由部分突出到铜粒子22外部的碳纳米管16、16…修饰而形成修饰金属粒子18。
将由该修饰金属粒子18形成的金属离子压缩成形,得到规定形状的成形品。对该成形品的截面进行显微镜观察,如图4所示,为形成大量间隙的多孔体。
对得到的成形品抽真空的同时,在保持在750℃的熔融铝中浸渍约1小时,在成形品内强制浸含熔融铝。
接着,将从熔融铝中取出的成形品冷却,得到由铜、铝和碳纳米管构成的金属复合物。对该金属复合物的截面进行显微镜观察,如图1所示,由铜形成的多孔体构成的第1金属部分中随机地形成有由铝形成的第2金属部分。
根据该金属复合物的截面的图5所示的电子显微镜照片,铜和铝中分散有碳纳米管(以箭头表示)。
(实施例2)
(1)修饰金属粒子18的制造
将0.36g碳纳米管(昭和电工株式会社制VGCF)、100g水和0.4g作为表面活性剂的辛基苯氧基聚乙氧基乙醇(商品名:TRITON X-100,ICN Biomedical,Inc.制)通过超声波均化器(Ultra Sonic,Inc.制VC-750)进行分散处理后,投入28g氯化镍(NiCl2),用搅拌器搅拌的同时,加热至50℃,获得分散液。
另外,准备在50g纯水中添加了13g氢氧化钠(NaOH)的碱溶液。
接着,对得到的分散液通过超声波清洗机(株式会社アズワン制US-1)给予超声波的同时,一边用玻棒搅拌,一边添加碱溶液。分散液变成析出了复合粒子的析出液。
将该析出液加热至60℃的同时,一边用搅拌器搅拌,一边添加64g作为还原剂的肼一水合物(N2H4·H2O),进行还原反应。这时,根据发泡的情况,添加100g乙醇终止还原反应。终止还原反应后,将析出液冷却至常温,回收沉淀物,洗净,真空干燥。
得到的复合粒子呈镍色,为含有5wt%碳纳米管的镍金属粒子,如图6的显微镜照片的箭头所示,为碳纳米管的一端部突出到粒子状金属粒子的外部的粒子状修饰金属粒子。
(2)金属复合物的制造
将得到的粒子状修饰金属粒子与细铜粉混合后,加压的同时在500℃的温度下保持1小时,成形为规定形状。该细铜粉的混合量按烧结体中的细铜粉为60wt%地进行调整。
得到的烧结体如图7的断面的显微镜照片所示,由镍形成的第1金属部分作为粘合剂包在由细铜粉形成的第2金属部分的周围。
所述烧结体的断面的镍部分中,如图8的电子显微镜照片中以箭头所示,分散有碳纳米管。
(实施例3)
将实施例2中得到的由碳纳米管和镍构成的粒子状修饰金属粒子与钨粉混合后,加压的同时在500℃的温度下保持2小时,进行烧结。该钨粉的混合量按烧结体中的钨粉为55wol%地进行调整。
得到的烧结体如图9的断面的显微镜照片所示,由镍形成的第1金属部分作为粘合剂包在由钨粉形成的第2金属部分的周围。
所述烧结体的断面的镍部分中,如图10的电子显微镜照片中以箭头所示,分散有碳纳米管。
产业上利用的可能性
即使将简单混合了多种金属离子与碳纳米管的混合物压缩成形为规定形状,该工序中碳纳米管也会凝集,容易与金属粒子分离。因此,获得在由多种金属形成的金属体中分散有碳纳米管的金属复合物是非常困难的。
在这方面,根据本发明,在制造由至少两种金属形成、由前述两种金属中的一种形成的第1金属部分和前述两种金属中的另一种形成的第2金属部分随机形成的金属复合物时,通过使用前述两种金属中的至少一种金属形成的修饰金属粒子,该粒子是以部分突出到金属粒子的外部的碳纳米管进行修饰而形成的修饰金属粒子,在复合金属的制造过程中,碳纳米管不会分离,可以在第1金属部分和第2金属部分的至少一方中混入碳纳米管。
该第1金属部分和第2金属部分在金属复合物中随机地形成,因此如果采用可以在所述第1金属部分和第2金属部分的至少一方中混入碳纳米管的本发明,可以获得分散了碳纳米管的金属复合物。
Claims (10)
1.金属复合物,它是由至少两种金属形成、由前述两种金属中的一种形成的第1金属部分和前述两种金属中的另一种形成的第2金属部分随机形成的金属复合物,其特征在于,
前述第1金属部分和第2金属部分的至少一方中分散掺入有碳纳米管。
2.如权利要求1所述的金属复合物,其特征在于,碳纳米管通过修饰金属粒子而混入,所述修饰金属粒子以部分突出到由形成金属复合物的金属中的至少一种金属形成的金属粒子的外部的碳纳米管进行修饰而形成。
3.如权利要求2所述的金属复合物,其特征在于,修饰金属粒子通过在浸渍于分散了碳纳米管的电解液中的阴极和阳极间导通电流的电解法而获得。
4.如权利要求2所述的金属复合物,其特征在于,修饰金属粒子通过氧化还原法获得,所述氧化还原法是形成由含有碳纳米管的难溶于水的金属盐或金属氧化物构成的复合粒子后,用还原前述复合粒子的金属盐或金属氧化物的还原剂进行还原处理。
5.金属复合物的制造方法,它是由至少两种金属形成、由前述两种金属中的一种形成的第1金属部分和前述两种金属中的另一种形成的第2金属部分随机形成的金属复合物的制造方法,其特征在于,
使用前述两种金属中的至少一种金属形成的修饰金属粒子,该粒子是以部分突出到前述金属粒子的外部的碳纳米管进行修饰而形成的修饰金属粒子,在前述第1金属部分和第2金属部分的至少一方混入碳纳米管。
6.如权利要求5所述的金属复合物的制造方法,其特征在于,在将修饰金属粒子压缩成形而形成由多孔体构成的第1金属部分后,将形成第2金属部分的金属熔融而得到的熔融金属浸含到前述多孔体内。
7.如权利要求6所述的金属复合物的制造方法,其特征在于,熔融金属使用将通过电解法难以获得修饰金属粒子的金属熔融而得到的熔融金属。
8.如权利要求5所述的金属复合物的制造方法,其特征在于,将由形成第1金属部分的金属构成的修饰金属粒子与由形成第2金属部分的金属构成的金属粒子加热压缩成形。
9.如权利要求5所述的金属复合物的制造方法,其特征在于,修饰金属粒子使用通过在浸渍于分散了碳纳米管的电解液中的阴极和阳极间导通电流的电解法获得的修饰金属粒子。
10.如权利要求5所述的金属复合物的制造方法,其特征在于,修饰金属粒子采用通过氧化还原法获得的修饰金属粒子,所述氧化还原法是形成由含有碳纳米管的难溶于水的金属盐或金属氧化物构成的复合粒子后,用还原前述复合粒子的金属盐或金属氧化物的还原剂进行还原处理。
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