CN100402200C - 模板化学镀纳米金属管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种模板化学镀纳米金属管的制备方法，包括下列顺序步骤：(1)采用纳米碳纤维或纳米高分子纤维作为化学镀模板，将纳米碳纤维或纳米高分子纤维的表面洗涤干净；(2)在强酸溶液中进行表面粗化修饰；(3)将修饰后纳米碳纤维或纳米高分子纤维在超声波搅拌条件下，在表面活性剂溶液中浸泡后，在氯化亚锡、二氯化钯的盐酸溶液中进行活化处理；(4)在化学镀液中对纳米碳纤维或纳米高分子纤维的表面进行化学镀处理；(5)将模板氧化除去；(6)在氢气气氛下，还原金属氧化物，得到纳米金属管。该方法简单，纳米金属管尺寸形貌容易控制，产量高，并赋予纳米金属管良好的可控制性及批量制备可行性。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米金属管的制备方法，具体涉及一种模板化学镀制备纳米金属管的制备方法，具体地说涉及一种有一种或多种金属组成的具有镀层厚度均匀的、镀层厚度可控制的、形貌可控制的纳米金属管的制备方法。
背景技术
近年来，由于具有独特的结构和性能，以及潜在的在催化剂领域、燃料电池、传感器和分离***中的应用前景，纳米尺度的管状材料已日益引起科研者的格外关注。自从碳纳米管发现以来，已有很多的关于纳米金属管材料制备方法的报道。由于金属在催化剂及纳米技术领域发挥着重要的作用，采用纳米多孔聚合物和氧化铝膜为模板，利用电解沉积方法已成功地制备出了金纳米管、镍纳米管、钯纳米管和银纳米管。然而，在所见报道的纳米金属管的制备工艺中，存在着工艺复杂、纳米金属管的尺寸和形貌控制困难、产量低等问题。
发明内容
本发明针对目前纳米金属管制备中存在的工艺复杂、纳米金属管尺寸和形貌控制困难、产量低等问题，提出了一种模板化学镀法制备纳米金属管的制备方法，该方法简单，纳米金属管尺寸形貌容易控制，产量高，并赋予纳米金属管良好的可控制性及批量制备可行性。
为解决现有纳米金属管制备过程中存在的问题，本发明采用了下述技术方案。
本发明公开了一种模板化学镀纳米金属管的制备方法，包括下列顺序步骤：
(1)采用纳米碳纤维或纳米高分子纤维作为化学镀模板，将纳米碳纤维或纳米高分子纤维的表面洗涤干净；
(2)在强酸溶液中进行表面粗化修饰；
(3)将修饰后纳米碳纤维或纳米高分子纤维在超声波搅拌条件下，在0.01～0.02mol/L阴离子和/或非离子型表面活性剂溶液中浸泡；之后，先在氯化亚锡浓度为0.10～0.50mol/L、盐酸浓度为2.50～4.00mol/L混合溶液中进行5～10min的敏化处理，去离子水冲洗干净，在二氯化钯的浓度为0.01～0.03mol/L、盐酸浓度为2.50～4.00mol/L混合溶液中进行5～10min的活化处理；
(4)在化学镀液中对纳米碳纤维或纳米高分子纤维的表面进行化学镀处理；
(5)化学镀后表面附着有金属镀层的纳米碳纤维或纳米高分子纤维在高温下氧化除去模板；
(6)在氢气气氛下，高温还原金属氧化物，得到纳米金属管。
上述技术方案中，通过对纳米碳纤维或纳米高分子纤维表面的洗涤，去除了表面可能沾染的各种有机小分子污染物，避免了污染物对镀层质量的影响；在强酸中对纳米碳纤维或纳米高分子纤维进行粗化处理，对其表面进行了修饰，提高了纳米碳纤维或纳米高分子纤维的润湿性，粗化处理的时间和温度可根据需要进行调整；修饰后的纳米碳纤维或纳米高分子纤维分别在氯化亚锡和二氯化钯的盐酸溶液中进行敏化、活化，使其表面沉积上了活性金属钯；在化学镀的过程中，通过调整镀液的金属离子的种类和配比，镀液的酸碱度和温度，可得到厚度均匀的纳米金属管/纳米碳纤维或纳米高分子纤维复合管；将纳米金属管/纳米碳纤维或纳米高分子纤维复合管先在空气气氛下热处理，而后在氢气气氛下还原处理，就得到了纳米金属管；产物纳米金属管的形貌与模板相同，采用不同形貌的纳米碳纤维作模板，可得到不同形貌的纳米金属管。
化学镀液可选择一种或多种金属离子溶液，以得到纳米金属管或纳米合金管。
模板纳米碳纤维是采用化学气相沉积法制备而成，其外观形貌为直线型或螺旋线型，为一维纳米材料；模板纳米高分子纤维是采用聚合法制备而成，为一维纳米材料。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度(≤100纳米)范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可分为三类：零维；一维；二维。其中，一维是指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米纤维、纳米棒、纳米管等。
纳米碳纤维或纳米高分子纤维的表面若存在有机小分子，会影响纳米碳纤维或纳米高分子纤维在化学镀过程中镀层的形成；因此本发明中优选：纳米碳纤维或纳米高分子纤维分别在无水乙醇，丁醇和二甲苯的混合液中进行洗涤，去除表面有机小分子污染物。正丁醇和二甲苯，无水乙醇不是唯一的溶剂，丙酮也是常用的溶剂，溶剂最佳种类和配比一般是根据模板的成分而具体确定；研究表明，正丁醇和二甲苯混合使用效果理想，一般混合使用。有机小分子污染物也可通过其他有机物溶剂进行清洗，如脂类、谜类等有机溶剂等。
本发明中，为提高了纳米碳纤维或纳米高分子纤维的润湿性，需在强酸溶液中进行表面粗化处理，优选：所述强酸为浓硝酸和/或浓硫酸混合液；采用硝酸/铬酐溶液也可用于粗化处理。
上述制备过程中，纳米碳纤维或纳米高分子纤维表面洗涤采用的是无水乙醇和丁醇/二甲苯混合溶液，其中，丁醇/二甲苯的体积比为1∶3～1∶5。
优选：所述强酸为硝酸和硫酸的混合物，硝酸、硫酸的体积比为3∶1～1∶1，处理温度为65～75℃，处理时间10～20min。
本发明中，在对纤维进行活化前需要将纤维在阴离子、非离子型表面活性剂溶液中浸泡，通常的阴离子和非离子表面活性剂均可用于上述步骤，如常用的阴离子表面活性剂：十二烷基硫酸钠；十二烷基苯磺酸纳等，非离子表面活性剂：脂肪醇聚氧乙烯醚，或壬基酚聚氧乙烯醚等，本发明中，优选：所述表面活性剂为：十二烷基硫酸钠；十二烷基苯磺酸纳；脂肪醇聚氧乙烯醚；壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或多种，浸泡时间为1.0～1.5h。浸泡时间可进行适当的调整，以满足活化前纤维表面物化性质需要。
化学镀后表面附着有金属镀层的纳米碳纤维或纳米高分子纤维在高温下氧化除去模板，优选步骤(5)中在300～450℃高温处理60～180min氧化除去模板。
在氢气气氛下，高温还原金属氧化物，得到纳米金属管。优选：步骤(6)中在氢气气氛下，在300～400℃高温处理60～120min，还原金属氧化物，得到纳米金属管。
以本发明的方法制备的纳米金属管，与报道的纳米金属管相比，该方法简单，纳米金属管尺寸形貌容易控制，产量高，并赋予纳米金属管良好的可控制性及批量制备可行性。
附图说明
图1为按本发明方法制备的纳米金属管的扫描电子显微镜图片。
图2为按本发明方法制备的纳米金属管的投射电子显微镜的图片。
具体实施方式
具体实施方式1：
一种模板化学镀法制备纳米金属管的制备方法，包括下列顺序步骤：
(1)将纳米碳纤维在无水乙醇中冲洗，之后在正丁醇、二甲苯体积比为1∶3的混合溶液中冲洗，将纳米碳纤维表面包括有机小分子的杂质清洗干净；
(2)在玻璃容器中，将洗净的纳米碳纤维置于硝酸、硫酸的体积比为～1∶1，处理温度为70～75℃，处理时间10min。
(3)将修饰后纳米碳纤维在超声波搅拌条件下，在0.01mol/L的十二烷基硫酸钠表面活性剂溶液中浸泡1.5h；之后，先在氯化亚锡浓度为0.30mol/L、盐酸浓度为2.50mol/L混合溶液中进行8min的敏化处理，采用去离子水冲洗三次后，在二氯化钯的浓度为0.01mol/L、盐酸浓度为2.50mol/L混合溶液中进行5min的活化处理；
(4)将激活的纳米碳纤维置于，硫酸镍浓度为25g·L-1、次磷酸钠浓度为25g·L-1、醋酸钠浓度为12g·L-1和乳酸浓度为30ml·L-1的酸性溶液中，进行化学镀，镀液的温度为75℃，化学镀时间为10min，在纳米碳纤维表面得到Ni-P合金镀层；
(5)将化学镀处理的纳米碳纤维置于空气气氛的烤箱中进行热处理，温度为350～400℃，时间为120min；然后将产物放于氢气气氛的还原炉中，处理温度为300～350℃，时间为60min，还原金属氧化物，得到纳米金属管。
具体实施方式2：
一种模板化学镀法制备纳米金属管的制备方法，包括下列顺序步骤：
(1)将纳米聚苯胺纤维在丙酮中冲洗，之后在正丁醇、二甲苯体积比为1∶4的混合溶液中冲洗，将纳米聚苯胺纤维表面包括有机小分子的杂质清洗干净；
(2)在玻璃容器中，将洗净的纳米聚苯胺纤维置于浓硝酸和浓硫酸体积比为1∶1的混合溶液中室温进行表面处理为20min；
(3)将修饰后纳米聚苯胺纤维在超声波搅拌条件下，在0.01mol/L的十二烷基硫酸钠和0.01mol/L的壬基酚聚氧乙烯醚溶液中浸泡1.0h；之后，先在氯化亚锡浓度为0.50mol/L、盐酸浓度为4.00mol/L混合溶液中进行10min的敏化处理，采用去离子水冲洗三次后，在二氯化钯的浓度为0.02mol/L、盐酸浓度为3.00mol/L混合溶液中进行7min的活化处理；
(4)将激活的纳米聚苯胺纤维置于，硫酸钴浓度为25g·L-1、次磷酸钠浓度为25g·L-1、醋酸钠浓度为12g·L-1和柠檬酸浓度为30ml·L-1的酸性溶液中，进行化学镀，镀液的温度为80℃，化学镀时间为12min，在纳米聚苯胺纤维表面得到Co-P合金镀层；
(5)将化学镀处理的纳米聚苯胺纤维置于空气气氛的烤箱中进行热处理，温度为400～450℃高温处理120min，然后将产物放于氢气气氛的还原炉中，处理温度为在450℃高温处理60min，还原金属氧化物，得到纳米金属管。
具体实施方式3：
一种模板化学镀法制备纳米金属管的制备方法，包括下列顺序步骤：
(1)将纳米碳纤维在无水乙醇中冲洗，之后在正丁醇、二甲苯体积比为1∶5的混合溶液中冲洗，将纳米碳纤维表面包括有机小分子的杂质清洗干净；
(2)在玻璃容器中，将洗净的纳米碳纤维置于浓硝酸和浓硫酸体积比为2∶1的混合溶液中室温进行表面处理为15min；
(3)将修饰后纳米碳纤维在超声波搅拌条件下，在0.015mol/L的脂肪醇聚氧乙烯醚表面活性剂溶液中浸泡1.2h；之后，先在氯化亚锡浓度为0.40mol/L、盐酸浓度为3.00mol/L混合溶液中进行7min的敏化处理，采用去离子水冲洗三次后，在二氯化钯的浓度为0.01mol/L、盐酸浓度为3.50mol/L混合溶液中进行5min的活化处理；
(4)将激活的纳米碳纤维置于，硫酸铜浓度为15g·L-1，柠檬酸钠浓度为20g·L-1、氯化铵浓度为12g·L-1和甲醛浓度为30ml·L-1的溶液中，进行化学镀，镀液的温度为25℃，化学镀时间为8min，在纳米碳纤维表面得到Cu镀层；
(5)将化学镀处理的纳米碳纤维置于空气气氛的烤箱中进行热处理，温度为500℃高温处理100min，然后将产物放于氢气气氛的还原炉中，处理温度为在300℃高温处理120min，还原金属氧化物，得到纳米金属管。
按照本发明公开的方法，可加工出如图1、图2所示的纳米金属管1。
Claims (10)
1.一种模板化学镀纳米金属管的制备方法，包括下列顺序步骤：
(1)采用纳米碳纤维或纳米高分子纤维作为化学镀模板，将纳米碳纤维或纳米高分子纤维的表面洗涤干净；
(2)在强酸溶液中进行表面粗化修饰；
(3)将修饰后纳米碳纤维或纳米高分子纤维在超声波搅拌条件下，在0.01～0.02mol/L阴离子和/或非离子型表面活性剂溶液中浸泡；之后，先在氯化亚锡浓度为0.10～0.50mol/L、盐酸浓度为2.50～4.00mol/L混合溶液中进行5～10min的敏化处理，去离子水冲洗干净，在二氯化钯的浓度为0.01～0.03mol/L、盐酸浓度为2.50～4.00mol/L混合溶液中进行5～10min的活化处理；
(4)在化学镀液中对纳米碳纤维或纳米高分子纤维的表面进行化学镀处理；
(5)化学镀后表面附着有金属镀层的纳米碳纤维或纳米高分子纤维在高温下氧化除去模板；
(6)在氢气气氛下，高温还原金属氧化物，得到纳米金属管。
2.根据权利要求1所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：化学镀液可选择一种或多种金属离子溶液，以得到纳米金属管或纳米合金管。
3.根据权利要求2所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：模板纳米碳纤维是采用化学气相沉积法制备而成，其外观形貌为直线型或螺旋线型，为一维纳米材料；模板纳米高分子纤维是采用聚合法制备而成，为一维纳米材料。
4.根据权利要求1所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：纳米碳纤维或纳米高分子纤维在无水乙醇中冲洗，之后在丁醇和二甲苯的混合溶液中进行洗涤，去除表面有机小分子污染物。
5.根据权利要求1所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：
所述强酸为硝酸和/或硫酸。
6.根据权利要求4所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：丁醇、二甲苯的体积比为1∶3～1∶5。
7.根据权利要求5所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：所述强酸为硝酸和硫酸的混合物，硝酸、硫酸的体积比为3∶1～1∶1，处理温度为65～75℃，处理时间10～20min。
8.根据权利要求1所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：
所述表面活性剂为：十二烷基硫酸钠；十二烷基苯磺酸纳；脂肪醇聚氧乙烯醚；壬基酚聚氧乙烯醚中的一种或多种，浸泡时间为1.0～1.5h。
9.根据权利要求1所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：
步骤(5)中在300～450℃高温处理60～180min氧化除去模板。
10.根据权利要求1所述的模板化学镀纳米金属管的制备方法，其特征在于：
步骤(6)中在氢气气氛下，在300～400℃高温处理60～120min，还原金属氧化物，得到纳米金属管。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: QINGDAO UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Free format text: FORMER OWNER: XIE GUANGWEN Effective date: 20080711 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20080711 Address after: No. 53, Zhengzhou Road, Sifang District, Shandong, Qingdao Patentee after: Qingdao University of Science & Technology Address before: No. 53, Zhengzhou Road, Sifang District, Shandong, Qingdao Patentee before: Xie Guangwen |
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| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |