專利名稱：低溫等離子體還原制備納米金屬的方法
技術領域：
本發明涉及材料科學技術領域，尤其是一種低溫等離子體還原制備納米金屬的方法。
背景技術：
納米材料(nano material)又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子(nano particle)也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子。納米粒子有著許多優點粒徑小、比表面積大、催化效率高，另外它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體相比有顯著的不同；而磁性納米金屬粒子，具有單磁疇結構，矯頑力很高，且利用納米金屬粒子的導電性，可以制成導電涂料、導電膠等。納米金屬粒子的潛在應用還有很多，例如在火箭助燃器、微孔氣體分離膜、結構材料以及生物工程材料等方面。納米金屬粒子具有優良的性能以及與其他材料復合時表現出來的獨特性能在分子器件、化學/生物傳感器、催化、光電子材料等諸多領域具有廣泛的應用前景。
當前制備金屬納米顆粒方法主要以化學還原法和溶膠凝膠法為主，兩者都要在溶液中使用強還原性的化學試劑，如利用強還原劑NaBH4等將金屬化合物還原為金屬顆粒。該方法的不足之處在于制備過程繁瑣，操作復雜，條件苛刻，不易控制，而且上述還原劑對環境危害巨大；其中采用凝膠法在最后需要經燒結方能得到納米粒子，所得納米粒子容易團聚，粒徑較大。
與本發明最為接近的公開技術是在Langmuir(2006，11388-11394)，Liu等人公開了一種還原負載型金屬催化劑的新方法。該方法在不使用化學還原劑的條件下，采用輝光放電等離子體，在氬氣氣氛中還原了負載在二氧化鈦等載體上的貴金屬，其裝置簡單，操作方便，節省能耗，對環境友好，在催化劑制備領域有廣泛應用前景。但也存在一定缺陷，如耗時長、處理的金屬量小、得到的納米金屬顆粒分布不均。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種低溫等離子體還原制備納米金屬的方法；該方法操作簡便，對環境友好，所制得納米金屬粒子純度高，粒度小，粒徑分布區間窄、分散性好。
本發明是通過以下技術方案來實現的
一種低溫等離子體還原制備納米金屬的方法，該生產方法包括以下步驟(1).將金屬鹽直接裝入等離子體放電器的真空室中；(2).將真空室抽真空，然后通入等離子體放電氣體，氣體壓力保持在30～200Pa；(3).利用高壓電源在電極兩端施加200～5000V的直流或交流電使放電氣體放電，形成的等離子體將金屬鹽還原，還原時間為5～120min，由此制備出納米金屬粒子。
而且，所述的金屬鹽為鉑或鈀或金或銀或釕或銠或錸或銥所形成的鹽。
而且，所述的金屬鹽為氯化物或硝酸鹽。
而且，所述的等離子體放電氣體為惰性氣體或空氣或氧氣，或者上述氣體的混合物。
而且，所述的惰性氣體為氬氣或氮氣或氦氣。
而且，所述的氣體放電的形式為輝光放電或介質阻擋放電或電暈放電。
而且，所述的制備出的納米金屬粒子的粒徑在2.5～20nm范圍內。
本發明的優點和有益效果是1.本發明涉及的等離子體法生產納米金屬是利用高壓直流或交流電源放電產生的等離子體中的大量高能電子最先到達金屬顆粒附近，其中一部分電子會被俘獲，金屬即被靜電還原，從而生成納米金屬。用等離子體法制備的納米金屬具有產量大、粒度容易控制、性能好等優點。
2.本發明采用的低溫等離子體還原制備納米金屬方法能快速有效的制備納米金屬粒子，可在室溫下進行，避免了高溫下的不良熱效應，且操作簡單，節省能耗，處理的金屬量大，不使用化學還原劑，對環境友好。
3.本發明所采用的等離子體中含有大量電子，使金屬化合物很容易被還原；而且該電子附著在金屬顆粒上互相排斥，可有效地阻止金屬顆粒的聚集長大，從而形成細小均勻分布的晶粒，使所制得納米金屬粒子純度高，粒度小，粒徑分布區間窄、分散性好，納米金屬粒子的粒徑在2.5～20nm范圍內。
圖1是氯金酸經低溫等離子體處理還原后的光電子能譜圖；圖2是氯金酸經低溫等離子體處理還原后的電子衍射譜圖；圖3是氯金酸經低溫等離子體處理還原后的高倍透射電鏡圖。
具體實施例方式
本發明通過以下實施例結合附圖進一步詳述，但本實施例所敘述的技術內容是說明性的，而不是限定性的，不應依此來局限本發明的保護范圍。
實施例1將氯金酸(HAuCl4)置于真空室內放電管的兩個電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入氬氣作放電氣體，維持30Pa的壓力，在電極上施加800V的直流電壓，采用輝光放電等離子體還原氯金酸(HAuCl4)，還原時間為100min，制備出納米金粒子，其粒徑為2.5～7nm。
所制得納米金粒子經光電子能譜、電子衍射和透射電鏡分析，可以得出以下分析結果如圖1所示的光電子能譜圖，從譜中可看出只出現了金元素的特征峰，顯示氯金酸通過低溫等離子體法還原為零價態金；如圖2所示的電子衍射圖，圖中只有金單質的衍射峰，沒有其它雜質衍射峰存在，顯示氯金酸被完全還原；如圖3所示為高倍透射電鏡圖，從圖中可以看到所制得的納米金粒子，晶粒細小均勻，粒徑為2.5～7nm。
實施例2將H2PtCl6置于真空室內放電管的兩個電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入氦氣作放電氣體，維持50Pa的壓力，在電極上施加200V的直流電壓，采用電暈放電等離子體還原H2PtCl6，還原時間為120min，制備出納米鉑粒子。經光電子能譜、電子衍射和透射電鏡證實H2PtCl6完全還原為單質鉑，其粒徑為2.5～10nm。
實施例3將PdCl2置于真空室內放電管的兩個電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入氧氣作放電氣體，維持90Pa的壓力，在電極上施加1000V的交流電壓，采用介質阻擋放電等離子體還原PdCl2，還原時間為40min，制備出納米鉛粒子。經光電子能譜、電子衍射和透射電鏡證實PdCl2完全還原為單質鉛，其粒徑為3.0～15nm。
實施例4將AgNO3置于真空室內放電管的兩個電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入氮氣作放電氣體，維持120Pa的壓力，在電極上施加1500V的交流電壓，采用輝光放電等離子體還原AgNO3，還原時間為60min，制備出納米銀粒子。經光電子能譜、電子衍射和透射電鏡證實AgNO3完全還原為單質銀，其粒徑為3.0～20nm。
實施例5將H2IrCl6置于真空室內放電管的兩個電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入空氣作放電氣體，維持150Pa的壓力，在電極上施加2000V的交流電壓，采用輝光放電等離子體還原H2IrCl6，還原時間為80min，制備出納米銥粒子。經光電子能譜、電子衍射和透射電鏡證實H2IrCl6完全還原為單質銥，其粒徑為4.0～18nm。
實施例6將ReCl5置于真空室內放電管的兩個電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入氬氣作放電氣體，維持180Pa的壓力，在電極上施加3000V的直流電壓，采用輝光放電等離子體還原ReCl5，還原時間為20min，制備出納米錸粒子。經光電子能譜、電子衍射和透射電鏡證實ReCl5完全還原為單質錸，其粒徑為3.5～20nm。
實施例7將H3RhCl6置于真空室內放電管的兩個電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入氦氣作放電氣體，維持200Pa的壓力，在電極上施加4000V的直流電壓，采用輝光放電等離子體還原H3RhCl6，還原時間為10min，制備出納米銠粒子。經光電子能譜、電子衍射和透射電鏡證實ReCl5完全還原為單質銠，其粒徑為2.5～20nm。
實施例8將RuCl3置于真空室內放電管的兩個電極板之間，密閉，將真空室抽真空，然后充入空氣作放電氣體，維持90Pa的壓力，在電極上施加5000V的交流電壓，采用電暈放電等離子體還原RuCl3，還原時間為5min，制備出納米釕粒子。經光電子能譜、電子衍射和透射電鏡證實RuCl3完全還原為單質釕，其粒徑為2.5～20nm。
權利要求
1.一種低溫等離子體還原制備納米金屬的方法，其特征在于該生產方法包括以下步驟(1).將金屬鹽直接裝入等離子體放電器的真空室中；(2).將真空室抽真空，然后通入等離子體放電氣體，氣體壓力保持在30～200Pa；(3).利用高壓電源在電極兩端施加200～5000V的直流或交流電使放電氣體放電，形成的等離子體將金屬鹽還原，還原時間為5～120min，由此制備出納米金屬粒子。
2.根據權利要求1所述的低溫等離子體還原制備納米金屬的方法，其特征在于所述的金屬鹽為鉑或鈀或金或銀或釕或銠或錸或銥所形成的鹽。
3.根據權利要求2所述的低溫等離子體還原制備納米金屬的方法，其特征在于所述的金屬鹽為氯化物或硝酸鹽。
4.根據權利要求1所述的低溫等離子體還原制備納米金屬的方法，其特征在于所述的等離子體放電氣體為惰性氣體或空氣或氧氣，或者上述氣體的混合物。
5.根據權利要求4所述的低溫等離子體還原制備納米金屬的方法，其特征在于所述的惰性氣體為氬氣或氮氣或氦氣。
6.根據權利要求1所述的低溫等離子體還原制備納米金屬的方法，其特征在于所述的氣體放電的形式為輝光放電或介質阻擋放電或電暈放電。
7.根據權利要求1所述的低溫等離子體還原制備納米金屬的方法，其特征在于所述的制備出的納米金屬粒子的粒徑在2.5～20nm范圍內。
全文摘要
本發明涉及材料科學技術領域的一種低溫等離子體還原制備納米金屬的方法。其生產方法是將金屬鹽直接裝入等離子體放電器的真空室中，將真空室抽真空，然后通入等離子體放電氣體，氣體壓力保持在30～200Pa，利用高壓電源在電極兩端施加200～5000V的直流或交流電使放電氣體放電，形成等離子體將金屬鹽還原，還原時間為5～120min，由此制備出納米金屬粒子。本發明裝置簡單，操作方便，節省能耗，處理的金屬量大，不使用化學還原劑，對環境友好；所制得納米金屬粒子純度高，粒度小，粒徑分布區間窄、分散性好，具有優良的性能以及與其他材料復合時表現出來的獨特性能，在分子器件、化學/生物傳感器、催化、光電子材料等諸多領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號B22F9/16GK101032754SQ20071005716
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月18日 優先權日2007年4月18日
發明者劉昌俊, 王召, 張月萍 申請人:天津大學