CN103752845A - 镍或镍合金纳米穿孔球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属或合金粉末的技术领域，特别涉及镍或镍合金纳米穿孔球及其制备方法。本发明的镍或镍合金纳米穿孔球，其呈粉末状，所述纳米穿孔球内包含有水、氢氧化镍、氧化镍、氢气和水蒸气，所述纳米穿孔球的孔径为20-100nm，所述纳米穿孔球的直径为60-300nm。与现有技术相比，本发明的镍或镍合金纳米穿孔球的直径达到纳米级，且其中有纳米穿孔，进一步提高了颗粒的比表面，大大提高了镍或镍合金粉末的电磁性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属或合金粉末的技术领域，特别涉及镍或镍合金纳米穿孔球及其制备方法。
背景技术
镍或镍合金粉体作为一种高效的微波吸收材料已被广泛的应用于工业生产中。镍或镍合金粉末的电磁性能，除受材料的纳米化影响外，也受材料的纳米穿孔化（空心化）影响。目前，超细镍粉的制备通常是通过化学反应方法制备出来的，可得到球形、粒状、纤维状等形状的镍粉末。而将粉末制成空心或纳米穿孔结构则更进一步提高了颗粒的比表面，可作为高效微波吸收材料应用于工业生产中。
微米级或纳米级的空心/纳米穿孔金属粉末，由于其特殊结构，可获得特殊的光、电、磁性能；同时在空心/纳米穿孔粉内部进行组装，可得到内外电、磁性能截然不同的复合粉末。而近年来发展起来的纳米药物载体和药物缓释胶囊更使得空心/纳米穿孔粉末的制备受到极大的关注。经文献检索发现，HuishengPeng在《Journal of the American Chemical Society》（Vol.130,No.4,2008）上发表的“Vertically Aligned Pearl-like Carbon Nanotube Arrays for Fiber Spinning”（用于纤维纺织的类珍珠碳纳米管阵列的制备），该文首次报道了采用化学气相沉积法制备类珍珠碳纳米管的特殊结构。所制备的类珍珠碳纳米管外径在15～35nm之间。而类珍珠金属粉末的制备一般是在氧化物或聚合物线上表面沉积金属，再通过灼烧或其他方法去除包覆在其中的物质而得到。但这种方法获得的粉末粒径在几个微米甚至几十个微米以上，难以得到颗粒尺寸在微米以下的粉末。并且工艺复杂，去除包覆物困难。
发明内容
本发明目的在于提供一种镍或镍合金纳米穿孔球，以解决现有技术中的类珍珠金属粉末的制备一般是在氧化物或聚合物线上表面沉积金属，再通过灼烧或其他方法去除包覆在其中的物质而得到，但这种方法获得的粉末粒径在几个微米甚至几十个微米以上，难以得到颗粒尺寸在微米以下的粉末的技术性问题。
本发明的另一目的在于提供上述镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，以解决现有技术中的类珍珠金属粉末的制备一般是在氧化物或聚合物线上表面沉积金属，再通过灼烧或其他方法去除包覆在其中的物质而得到，但这种方法获得的粉末粒径在几个微米甚至几十个微米以上，难以得到颗粒尺寸在微米以下的粉末的技术性问题。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种镍或镍合金纳米穿孔球，所述纳米穿孔球呈粉末状，所述纳米穿孔球内包含有水、氢氧化镍、氧化镍、氢气和水蒸气，所述纳米穿孔球上有纳米穿孔，纳米穿孔的孔径为20-100nm，所述纳米穿孔球的直径为60-300nm。
优选地，所述纳米穿孔球的成分为纯镍或镍的二元、三元或四元合金。
上述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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）将上述纳米线先用氯化钯稀溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，再加入还原剂，纳米线表面的钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，因此诱导还原出的镍会优先在钯催化中心形核并长大，最终形成镍或镍合金的纳米穿孔球状结构。
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，所述碱溶液的浓度为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，所述碱溶液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液或氨水。
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，并用氯化钯稀溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，将活化后的纳米线超声处理10-40分钟，之后加热至T3，调节pH值至2-12，同时不断搅拌，将还原剂加热至T4之后倒入被钯离子活化的纳米线中，钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，因此诱导还原出的镍优先在钯催化中心形核并长大，此时溶液中有大量气泡冒出，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。
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、钨酸钠或钨酸钾的其中一种，所述还原剂的浓度为0.01-1mol/L。
优选地，还包括步骤（4）：
将所得的纳米穿孔球状结构分别经氨水、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穿孔球。
优选地，所述后处理工艺为200～600℃的氢气还原处理。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明的镍或镍合金纳米穿孔球的直径达到纳米级，且其中有纳米穿孔，进一步提高了颗粒的比表面，大大提高了镍或镍合金粉末的电磁性能；
2、本发明的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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；
3、本发明的制备方法制备的镍及镍合金球纳米穿孔球为非晶或微晶态，可在200～600℃作进一步热处理，得到完全晶化的镍及镍合金纳米穿孔球状粉末；
4、本发明的制备方法制备的纳米穿孔球的直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，能够得到不同直径大小的纳米穿孔球；
5、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、四元镍合金的纳米穿孔球粉末。
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纳米穿孔球的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纳米穿孔球的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，在纳米线表面发生局部催化反应，制备镍及镍合金纳米穿孔球。本发明所制得的纳米穿孔球由于其独特的结构，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穿孔球的制备方法，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；将上述纳米线表面先进行局部活化，以纳米线表面零星分布的活性点为催化中心，加入还原剂，还原剂与镍离子以活性点为中心形核、长大，最终形成镍或镍合金的纳米穿孔球状结构；所述纳米穿孔球状结构经后处理工艺得到镍或镍合金纳米穿孔球。
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-磷合金纳米穿孔球的制备
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，使硫酸镍温度约为80℃，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℃的油浴锅内升温至110℃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纳米线的XRD图谱如图1所示，Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线的TEM照片如图3所示。取10ml上述Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线悬浊液，加入1滴氯化钯(1g/L)溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，将活化后的Ni(SO4)0.3(OH)1.4纳米线稀释至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，同时不断搅拌，将3ml次亚磷酸钠溶液（2mol/L）加热至90±1℃之后倒入被钯离子活化的纳米线中，钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，因此诱导还原出的镍优先在钯催化中心形核并长大，终形成镍--磷穿孔球状结构的黑色沉淀，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-磷纳米穿孔球合金粉末中磷含量为8.92%，纳米穿孔球孔径为20-100纳米，球直径为60-300nm。（如图4所示）。
实施例2镍-硼合金纳米穿孔球的制备
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至70℃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，加入1滴氯化钯(1g/L)溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，将活化后的氢氧化镍纳米线稀释至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，同时不断搅拌，将3ml硼氢化钠溶液（2mol/L）加热至90±1℃之后倒入被钯离子活化的纳米线中，钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，因此诱导还原出的镍优先在钯催化中心形核并长大，最终形成镍--硼穿孔球状结构的黑色沉淀，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-硼纳米穿孔球。最后所得镍-硼纳米穿孔球合金粉末中硼含量为7.53%，纳米穿孔球孔径为20-100纳米，球直径为60-300nm。
实施例3镍-钴-磷合金纳米穿孔球的制备
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，加入1滴氯化钯(1g/L)溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，将活化后的氢氧化镍钴纳米线稀释至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，同时不断搅拌，将3ml次亚磷酸钠溶液（2mol/L）加热至90±1℃之后倒入被钯离子活化的纳米线中，钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，因此诱导还原出的镍优先在钯催化中心形核并长大，最终形成镍-钴-磷穿孔球状结构的黑色沉淀，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-磷纳米穿孔球。最后所得镍-钴-磷纳米穿孔球合金粉末中磷含量为18%，纳米穿孔球孔径为20-100纳米，球直径为60-300nm。
实施例4镍-铁-磷合金纳米穿孔球的制备
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，加入1滴氯化钯(1g/L)溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，将活化后的氢氧化镍铁纳米线稀释至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=6后，同时不断搅拌，将3ml次亚磷酸钠溶液（2mol/L）加热至90±1℃之后倒入被钯离子活化的纳米线中，钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，因此诱导还原出的镍优先在钯催化中心形核并长大，最终形成镍-铁-磷穿孔球状结构的黑色沉淀，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-磷纳米穿孔球。最后所得镍-铁-磷纳米穿孔球合金粉末中磷含量为18%，纳米穿孔球孔径为20-100纳米，球直径为60-300nm。
实施例5镍-钴-铁-磷合金纳米穿孔球的制备
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，加入1滴氯化钯(1g/L)溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，将活化后的氢氧化镍钴铁纳米线稀释至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，同时不断搅拌，将3ml次亚磷酸钠溶液（2mol/L）加热至90±1℃之后倒入被钯离子活化的纳米线中，钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，诱导还原出的镍优先在钯催化中心形核并长大，最终形成镍-钴-铁-磷穿孔球状结构的黑色沉淀，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-磷纳米穿孔球。最后所得镍-钴-铁-磷纳米穿孔球合金粉末中磷含量为14%，纳米穿孔球孔径为20-100纳米，球直径为60-300nm。
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)
1.一种镍或镍合金纳米穿孔球，其特征在于，所述纳米穿孔球呈粉末状，所述纳米穿孔球内包含有水、氢氧化镍、氧化镍、氢气和水蒸气，所述纳米穿孔球上有纳米穿孔，纳米穿孔的孔径为20-100nm，所述纳米穿孔球的直径为60-300nm。
2.如权利要求1所述的镍或镍合金纳米穿孔球，其特征在于，所述纳米穿孔球的成分为纯镍或镍的二元、三元或四元合金。
3.权利要求1或2所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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）将上述纳米线先用氯化钯稀溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，再加入还原剂，纳米线表面的钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，因此诱导还原出的镍会优先在钯催化中心形核并长大，最终形成镍或镍合金的纳米穿孔球状结构。
4.如权利要求3所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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。
5.如权利要求4所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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℃。
6.如权利要求3或4所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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。
7.如权利要求3或4所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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。
8.如权利要求3或4所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，其特征在于，所述碱溶液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化钙溶液或氨水。
9.如权利要求3所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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。
10.如权利要求9所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，其特征在于，T2为110-180℃，保温时间为12-48小时。
11.如权利要求3所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，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，并用氯化钯稀溶液进行活化处理，使纳米线表面吸附少量的钯离子，将活化后的纳米线超声处理10-40分钟，之后加热至T3，调节pH值至2-12，同时不断搅拌，将还原剂加热至T4之后倒入被钯离子活化的纳米线中，钯离子优先被还原形成金属钯，金属钯作为催化剂中心诱导纳米线中的镍被还原，由于吸附在纳米线上的钯催化中心是间断分布的，因此诱导还原出的镍优先在钯催化中心形核并长大，此时溶液中有大量气泡冒出，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。
12.如权利要求11所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，其特征在于，T3为80-95℃，T4为80-95℃。
13.如权利要求3或11所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，其特征在于，所述还原剂选自次亚磷酸盐、硼氢化物、水合肼、钨酸钠或钨酸钾的其中一种，所述还原剂的浓度为0.01-1mol/L。
14.如权利要求3所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，其特征在于，还包括步骤（4）：
将所得的纳米穿孔球状结构分别经氨水、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穿孔球。
15.如权利要求14所述的镍或镍合金纳米穿孔球的制备方法，其特征在于，所述后处理工艺为200～600℃的氢气还原处理。
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