CN103302304B - 镍或镍合金纳米管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属或合金纳米管制备的技术领域,特别涉及一种镍或镍合金纳米管的制备方法。本发明的镍或镍合金纳米管的制备方法,包括以下步骤:(1)镍盐溶液或包含镍盐的混合金属盐溶液与碱溶液反应生成前驱体胶体;(2)所述前驱体胶体在水热条件下进行处理得到纳米线;(3)在上述纳米线表面发生催化反应,以纳米线表面为活性点催化还原剂与镍离子的反应,形成镍或镍合金的管状结构。与现有技术相比,本发明的制备方法不需要硬模板,所需设备简单,只需在普通反应器和恒温设备上加以改进就可使用,并且,工艺操作简单易行,成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及金属或合金纳米管制备的技术领域,特别涉及一种镍或镍合金纳米管的制备方法。
背景技术
镍或镍合金粉末作为一种有效的微波吸收材料已被广泛应用于工业生产中。镍或镍合金粉末的电磁性能,除受材料的纳米化、空心化影响外,也受材料的纤维化影响。如何实现铁磁性纳米管的高质量、低成本组装,获得稳定、一致的铁磁性纳米管状结构,是大幅度提高镍或镍合金粉末材料的波吸收性能的关键。
镍或镍合金纳米管,由于具有一维空心结构,可获得特殊的光、电、磁性能;同时,在纳米管内部组装铁磁性纳米颗粒,可得到内外电、磁性能截然不同的复合一维纳米结构。经文献检索发现,Jianchun Bao在《Advanced Materials》(Vol.13,No.21,2003)上发表了“Template synthesis of an array of nickelnanotubules and its magnetic behavior”(模板法制备镍纳米管及其磁性能研究)的报道,该文报道了一种通过利用氧化铝模板,采用电沉积法成功制备了高度有序,长约35um的镍纳米管的制备方法。Xiufeng Han在《Advanced Materials》(Vol.21,No.45,2009)上发表了“Structural and Magnetic Properties of VariousFerromagnetic Nanotubes”(多种铁磁性纳米管的结构与磁性能)的文章,文章报道了利用氧化铝模板,采用电沉积法成功制备了内外径、厚度、长度不同的Fe,Co,Ni及铁磁性金属合金(如NiFe,CoPt,CoFeB及CoCrPt)纳米管的制备方法。以上方法采用的模板以硬模板(氧化铝多孔膜)为主,通过电沉积制备镍或镍合金纳米管。通过电沉积法在硬模板上制备的纳米管,需要通过化学处理去除硬模板,才能得到所需的物质,但对于长约数微米,内径只有几十纳米甚至几纳米的纳米管,这种方法去除硬模板会比较困难。
发明内容
本发明目的在于提供一种镍或镍合金纳米管的制备方法,以解决现有技术中的镍或镍合金纳米管通过电沉积法在硬模板上制备纳米管,需要通过化学处理去除硬模板,才能得到所需的物质,但对于长约数微米,内径只有几十纳米甚至几纳米的纳米管,这种方法去除硬模板会比较困难的技术性问题。
本发明目的通过以下技术方案实现:
一种镍或镍合金纳米管的制备方法,包括以下步骤:
(1)镍盐溶液或包含镍盐的混合金属盐溶液与碱溶液反应生成前驱体胶体;
(2)所述前驱体胶体在水热条件下进行处理得到纳米线;
(3)在上述纳米线表面发生催化反应,以纳米线表面为活性点催化还原剂与镍离子的反应,形成镍或镍合金的管状结构。
优选地,所述步骤(1)进一步包括:
将镍盐溶液或包含镍盐的混合金属盐溶液加热至T1,在搅拌下,将碱溶液倒入镍盐溶液或包含镍盐的混合金属盐溶液中,搅拌均匀,得到均一的前驱体胶体。
优选地,所述镍盐溶液浓度或包含镍盐的混合金属盐溶液的总浓度为0.1-0.3mol/L,所述碱液的浓度为0.1-0.3mol/L,T1为50-80℃。
优选地,所述镍盐选自硫酸镍、氯化镍、硝酸镍或醋酸镍的其中一种或几种。
优选地,所述包含镍盐的混合金属盐为除包含镍盐以外还包含硫酸钴、醋酸钴、硝酸钴、氯化钴、氯化亚铁、硫酸亚铁的其中一种或几种的混合金属盐。
优选地,所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或氨水。
优选地,所述步骤(2)进一步包括:
将前驱体胶体导入反应釜中,反应釜密封,将反应釜加热至T2后保温一段时间,自然冷却,取出,清洗,得纳米线。
优选地,T2为110-180℃,保温时间为12-48小时。
优选地,所述步骤(3)进一步包括:
纳米线用适量去离子水稀释,超声处理10-40分钟,之后加热至T3,调节pH值至2-12,将还原剂加热至T4之后倒入纳米线中,同时不断搅拌,滴加少量催化剂,随后大量气泡冒出,反应剧烈进行,溶液中出现大量黑色沉淀,待溶液中不再产生气泡,即反应基本完成。
优选地,T3为80-95℃,T4为80-95℃。
优选地,所述还原剂选自次亚磷酸盐、硼氢化物、水合肼、钨酸钠或钨酸钾,所述还原剂的浓度为0.01-1mol/L。
优选地,还包括步骤(4):
将所得的管状结构分别经氨水、去离子水、丙酮洗涤后,于烘箱中干燥,再经后处理工艺即得到镍或镍合金纳米管。
优选地,所述后处理工艺为200~600℃的氢气还原处理。
优选地,所述纳米管呈粉末状,所述纳米管内包含有水、氢氧化镍、氧化镍、氢气和水蒸气,纳米管外径为60-300nm,内径为20-100纳米,管长为3-6微米。
优选地,所述纳米管的成分为纯镍或镍的二元、三元或四元合金。
与现有技术相比,本发明有以下有益效果:
1、本发明的制备方法不需要硬模板,所需设备简单,只需在普通反应器和恒温设备上加以改进就可使用,并且,工艺操作简单易行,成本低廉;
2、本发明的制备方法制备的镍及镍合金球纳米管为非晶或微晶态,可在200~600℃作进一步热处理,得到完全晶化的镍及镍合金管状粉末;
3、本发明的制备方法制备的纳米管内外径大小可以通过调节前驱体纳米线直径以及反应温度和时间加以控制,能够得到不同内外径大小的纳米管;
4、本发明的制备方法通过选择不同的还原剂和调节还原剂的浓度可制备出纯镍或不同成分的二元、三元、四元镍合金的纳米管粉末。
附图说明
图1为Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线的XRD图谱;
图2为Ni-P纳米管的XRD图谱;
图3为Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线的TEM照片;
图4为Ni-P纳米管的TEM照片。
具体实施方式
本发明首次提出在水溶液中直接反应生成胶核,胶核再通过水热反应的到前驱体纳米线,在纳米线表面发生催化反应,制备镍及镍合金纳米管。本发明所制得的纳米管由于其独特的结构,可望在高效催化剂、吸附剂和光电、电磁器件、微波吸收材料以及生物制药等领域得到应用。
本发明的镍或镍合金纳米管的制备方法,包括以下步骤:镍盐溶液或包含镍盐的混合金属盐溶液与碱溶液反应生成前驱体胶体;所述前驱体胶体通过水热反应得到纳米线;在上述纳米线表面发生催化反应,以纳米线表面为活性点催化还原剂与镍离子的反应,形成镍或镍合金的管状结构;所述管状结构经后处理工艺得到镍或镍合金纳米管。
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1镍-磷合金纳米管的制备
将硫酸镍、次亚磷酸钠和氢氧化钠分别配制成2mol/L、2mol/L和2mol/L的溶液,取7.5ml硫酸镍(2mol/L)于250ml的烧杯中,再加入45ml去离子水,将稀释后的硫酸镍在90±1℃的恒温水浴槽中加热8分钟,然后将7.5ml的氢氧化钠(2mol/L)缓慢倒入稀释后的硫酸镍溶液中,边倒边搅拌,最后得到均一的氢氧化镍胶体。将氢氧化镍胶体置于100ml的反应釜中,密封,于120℃的油浴锅内保温24小时,自然冷却,取出用去离子水清洗6次,得到浓度为0.018mol/L的Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线悬浊液(其中含Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线1.18克)。Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线结构和形态分别如图1与图3所示。取10ml上述Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线悬浊液,稀释至45ml,于600瓦超声仪处理20分钟,再置于90±1℃的恒温水浴槽中加热10分钟,用醋酸调节溶液pH=4后,将3ml次亚磷酸钠溶液(2mol/L)倒入Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线,最后加入1滴氯化钯(1g/L),反应剧烈进行,溶液中出现大量黑色沉淀,将所得的黑色沉淀过滤后洗涤,于55℃烘箱中干燥2小时,所得粉末中镍-磷为非晶和微晶态(如图2所示)。最后所得镍-磷纳米管合金粉末中磷含量为8.92%,管外径大小为60-300nm,内径大小为20-100纳米,管长为3-6微米(如图4所示)。
实施例2镍-硼合金纳米管的制备
将硫酸镍、硼氢化钠和氨水分别配制成2mol/L、2mol/L和2mol/L的溶液,取9ml硫酸镍(2mol/L)于250ml的烧杯中,再加入45ml去离子水,将稀释后的硫酸镍在85±1℃的恒温水浴槽中加热8分钟,然后将9ml的氨水缓慢倒入稀释后的硫酸镍溶液中,边倒边搅拌,最后得到均一的氢氧化钴胶体。将氢氧化镍胶体置于100ml的反应釜中,密封,于120℃的油浴锅内保温24小时,自然冷却,取出用去离子水清洗6次,得到浓度为0.018mol/L的氢氧化镍纳米线悬浊液(其中含氢氧化镍纳米线1.37克)。取10ml上述氢氧化镍纳米线悬浊液,稀释至45ml,于600瓦超声仪处理20分钟,再置于85±1℃的恒温水浴槽中加热10分钟,用醋酸调节溶液pH=2后,将3ml硼氢化钠溶液(2mol/L)倒入氢氧化镍纳米线,最后加入1滴氯化钯(1g/L),反应剧烈进行,溶液中出现大量黑色沉淀,将所得的黑色沉淀过滤后洗涤,于55℃烘箱中干燥2小时,所得粉末中镍-硼为非晶和微晶态,经300℃热处理后得到完全晶化的镍-硼纳米管。最后所得镍-硼纳米管合金粉末中硼含量为7.53%,管外径大小60-300nm,内径大小20-100纳米,管长3-6微米。
实施例3镍-钴-磷合金纳米管的制备
将硫酸镍、硫酸钴,次亚磷酸钠和氢氧化钠分别配制成2mol/L、2mol/L、2mol/L和2mol/L的溶液,取5ml硫酸镍(2mol/L)和2.5ml硫酸钴(2mol/L)于250ml的烧杯中,再加入45ml去离子水,将稀释后的硫酸镍钴在90±1℃的恒温水浴槽中加热8分钟,然后将7.5ml的氢氧化钠(2mol/L)缓慢倒入稀释后的硫酸镍钴溶液中,边倒边搅拌,最后得到均一的氢氧化镍钴胶体。将氢氧化镍钴胶体置于100ml的反应釜中,密封,于180℃的油浴锅内保温12小时,自然冷却,取出用去离子水清洗6次,得到浓度为0.018mol/L的氢氧化镍钴纳米线悬浊液(其中含氢氧化镍钴纳米线1.17克)。取10ml上述氢氧化镍钴纳米线悬浊液,稀释至45ml,于600瓦超声仪处理40分钟,再置于90±1℃的恒温水浴槽中加热10分钟,用醋酸调节溶液pH=6后,将3ml次亚磷酸钠溶液(2mol/L)倒入氢氧化镍钴纳米线,最后加入1滴氯化钯(1g/L),反应剧烈进行,溶液中出现大量黑色沉淀,将所得的黑色沉淀过滤后洗涤,于55℃烘箱中干燥2小时,所得粉末中镍-钴-磷为非晶和微晶态,经300℃热处理后得到完全晶化的镍-钴-磷纳米管。最后所得镍-钴-磷纳米管合金粉末中磷含量为18%,管外径大小100-200nm,内径大小40-100纳米,管长3-6微米。
实施例4镍-铁-磷合金纳米管的制备
将硫酸镍、硫酸亚铁,次亚磷酸钠和氢氧化钠分别配制成2mol/L、2mol/L、2mol/L和2mol/L的溶液,取2ml硫酸镍(2mol/L)和1ml硫酸亚铁(2mol/L)于250ml的烧杯中,再加入45ml去离子水,将稀释后的硫酸镍铁在90±1℃的恒温水浴槽中加热8分钟,然后将3ml的氢氧化钠(2mol/L)缓慢倒入稀释后的硫酸镍铁溶液中,边倒边搅拌,最后得到均一的氢氧化镍铁胶体。将氢氧化镍铁胶体置于100ml的反应釜中,密封,于120℃的油浴锅内保温24小时,自然冷却,取出用去离子水清洗6次,得到浓度为0.018mol/L的氢氧化镍铁纳米线悬浊液(其中含氢氧化镍铁纳米线0.45克)。取10ml上述氢氧化镍铁纳米线悬浊液,稀释至45ml,于600瓦超声仪处理20分钟,再置于90±1℃的恒温水浴槽中加热10分钟,用醋酸调节溶液pH=12后,将3ml次亚磷酸钠溶液(2mol/L)倒入氢氧化镍铁纳米线,最后加入1滴氯化钯(1g/L),反应剧烈进行,溶液中出现大量黑色沉淀,将所得的黑色沉淀过滤后洗涤,于55℃烘箱中干燥2小时,所得粉末中镍-铁-磷为非晶和微晶态,经300℃热处理后得到完全晶化的镍-铁-磷纳米管。最后所得镍-铁-磷纳米管合金粉末中磷含量为18%,管外径大小60-200nm,内径大小20-60纳米,管长2-6微米。
实施例5镍-钴-铁-磷合金纳米管的制备
将硫酸镍、硫酸钴,硫酸亚铁,次亚磷酸钠和氢氧化钾分别配制成2mol/L、2mol/L、2mol/L、2mol/L和2mol/L的溶液,取4ml硫酸镍(2mol/L),1.5ml硫酸钴(2mol/L),1.5ml硫酸亚铁(2mol/L),于250ml的烧杯中,再加入45ml去离子水,将稀释后的硫酸镍钴铁在90±1℃的恒温水浴槽中加热8分钟,然后将7.5ml的氢氧化钾(2mol/L)缓慢倒入稀释后的硫酸镍钴铁溶液中,边倒边搅拌,最后得到均一的氢氧化镍钴铁胶体。将氢氧化镍钴铁胶体置于100ml的反应釜中,密封,于120℃的油浴锅内保温24小时,自然冷却,取出用去离子水清洗6次,得到浓度为0.018mol/L的氢氧化镍钴铁纳米线悬浊液(其中含氢氧化镍钴铁纳米线1.06克)。取10ml上述氢氧化镍钴铁纳米线悬浊液,稀释至45ml,于600瓦超声仪处理20分钟,再置于90±1℃的恒温水浴槽中加热10分钟,用醋酸调节溶液pH=4后,将3ml次亚磷酸钠溶液(2mol/L)倒入氢氧化镍钴铁纳米线,最后加入1滴氯化钯(1g/L),反应剧烈进行,溶液中出现大量黑色沉淀,将所得的黑色沉淀过滤后洗涤,于55℃烘箱中干燥2小时,所得粉末中镍-钴-铁-磷为非晶和微晶态,经300℃热处理后得到完全晶化的镍-钴-铁-磷纳米管。最后所得镍-钴-铁-磷纳米管合金粉末中磷含量为16%,管外径大小80-180nm,内径大小40-80纳米,管长2-4微米。
以上公开的仅为本申请的几个具体实施例,但本申请并非局限于此,任何本领域的技术人员能思之的变化,都应落在本申请的保护范围内。
Claims (15)
1.一种镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)镍盐溶液或包含镍盐的混合金属盐溶液与碱溶液反应生成前驱体胶体;
(2)所述前驱体胶体在水热条件下进行处理得到纳米线;
(3)在上述纳米线表面发生催化反应,以纳米线表面为活性点催化还原剂与镍离子的反应,形成镍合金的管状结构。
2.如权利要求1所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)进一步包括:
将镍盐溶液或包含镍盐的混合金属盐溶液加热至T1,在搅拌下,将碱溶液倒入镍盐溶液或包含镍盐的混合金属盐溶液中,搅拌均匀,得到均一的前驱体胶体。
3.如权利要求2所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述镍盐溶液浓度或包含镍盐的混合金属盐溶液的总浓度为0.1-0.3mol/L,所述碱溶液的浓度为0.1-0.3mol/L,T1为50-80℃。
4.如权利要求1或2所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述镍盐选自硫酸镍、氯化镍、硝酸镍或醋酸镍的其中一种或几种。
5.如权利要求1或2所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述包含镍盐的混合金属盐为除包含镍盐以外还包含硫酸钴、醋酸钴、硝酸钴、氯化钴、氯化亚铁、硫酸亚铁的其中一种或几种的混合金属盐。
6.如权利要求1或2所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或氨水。
7.如权利要求1所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)进一步包括:
将前驱体胶体导入反应釜中,反应釜密封,将反应釜加热至T2后保温一段时间,自然冷却,取出,清洗,得纳米线。
8.如权利要求7所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,T2为110-180℃,保温时间为12-48小时。
9.如权利要求1所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)进一步包括:
纳米线用适量去离子水稀释,超声处理10-40分钟,之后加热至T3,调节pH值至2-12,将还原剂加热至T4之后倒入纳米线中,同时不断搅拌,滴加少量催化剂,随后大量气泡冒出,反应剧烈进行,溶液中出现大量黑色沉淀,待溶液中不再产生气泡,反应基本完成。
10.如权利要求9所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,T3为80-95℃,T4为80-95℃。
11.如权利要求1或9所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述还原剂选自次亚磷酸盐、硼氢化物、水合肼、钨酸钠或钨酸钾,所述还原剂的浓度为0.01-1mol/L。
12.如权利要求1所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,还包括步骤(4):
将所得的管状结构分别经氨水、去离子水、丙酮洗涤后,于烘箱中干燥,再经后处理工艺即得到镍合金纳米管。
13.如权利要求12所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述后处理工艺为200~600℃的氢气还原处理。
14.如权利要求1所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述纳米管呈粉末状,所述纳米管内包含有水、氢氧化镍、氧化镍、氢气和水蒸气,纳米管外径为60-300nm,内径为20-100纳米,管长为3-6微米。
15.如权利要求1所述的镍合金纳米管的制备方法,其特征在于,所述纳米管的成分为镍的二元、三元或四元合金。
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