CN106929876A - 金属氧化物纳米球的制备方法 - Google Patents

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张志昆
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Abstract

本发明提供了一种金属氧化物纳米球的制备方法，包括以下内容：在一电解槽中，阳极为Pt片，阴极为金属丝，电解液采用高导电性盐溶液，阳极和阴极浸入电解液的面积比为阳极：阴极＝20：1；采用连续可调的大功率直流稳压电源，通过逐步加大电压，在阴极形成等离子放电，同时在溶液中形成沉淀物，将沉淀物进行提纯，即得到金属氧化物纳米球。本发明的优点在于：无有毒有害化学试剂参与，成本低廉，操作简单，材料产率高，可拓展性强，在工业量产中应用前景广阔。

Description

金属氧化物纳米球的制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种金属氧化物纳米球的制备方法。
背景技术
纳米技术是当前人类前沿科学的热点，纳米材料由于其小尺寸、高表面能和大比表面积等特点，使得它们表现出常规块体材料所不具备的一些特殊性质，比如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、介电限域效应和宏观量子隧道效应等。金属氧化物纳米材料可应用于催化剂、精细陶瓷、复合材料、磁性材料、荧光材料、湿敏性传感器及红外吸收材料，在化工、电子、食品、生物、医学等领域有着广阔的应用前景。为此，金属氧化物纳米材料的制备技术成为研究热点。当前，科技工作者已研发出多种多样的金属氧化物纳米材料制备方法，从生成环境上大体上可分为固相法、液相法和气相法，具体到技术应用，又包括溶胶-凝胶法、醇盐水解法、强制水解法、溶液的气相分解法、湿化学合成法、微乳液法、激光技术、微波辐射技术、超声技术、交流电沉积技术、超临界流体干燥技术、非水溶剂水热技术等等。然而，现有技术存在反应试剂有毒有害、成本高、操作工序复杂、生成物不稳定等缺陷，限制其进一步推广应用，特别是材料量产的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种金属氧化物纳米球的制备方法。
本发明是这样实现的：一种金属氧化物纳米球的制备方法，包括以下内容：在一电解槽中，阳极为Pt片，阴极为金属丝，电解液采用高导电性盐溶液，阳极和阴极浸入电解液的面积比为阳极：阴极＝20：1；
采用连续可调的大功率直流稳压电源，通过逐步加大电压，在阴极形成等离子放电，同时在溶液中形成沉淀物，将沉淀物进行提纯，即得到金属氧化物纳米球。
进一步地，所述阴极为所述金属氧化物纳米球所对应的金属材料。
进一步地，所述电解液为3mol/L的NH4NO3溶液。
进一步地，所述直流稳压电源的电压在0-200V之间可进行连续调整，最大电流为10A。
进一步地，所述通过逐步加大电压，在阴极形成等离子放电，具体为：
电压从开路电压值开始，以1V/s的速率增加，最后将端电压稳定在100V进行放电。
本发明的优点在于：无有毒有害化学试剂参与，成本低廉，操作简单，材料产率高，可拓展性强，在工业量产中应用前景广阔。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1是本发明中电解装置的结构示意图。
图2是本发明中TiO2纳米球整体(a)和直径为2.7μm单一颗粒(b)的SEM图。
图3是本发明中TiO2纳米球的XRD图。
图4是本发明中TiO2纳米球的EDX图谱。
具体实施方式
请参阅图1所示，一种钛氧化物纳米球的制备方法，由一个大功率直流稳压电源和一个电解槽组成电解装置，电源的电压可在0-200V之间进行连续调整，最大可承受电流为10A。阳极采用Pt片，防止阳极在放电过程中被溶解，阴极为制备钛氧化物纳米球所对应的金属丝即Ti丝，纯度为99.9％。阳极浸入电解液中的表面积应尽可能大于阴极，两极的表面积比约为20:1，电解液采用3M的NH4NO3溶液。电解槽两端的电压从开路电压值(约0V)开始，以1V/s的速率增加，常温下，当端电压达到25V左右时，阴极开始放电，端电压随即跳变到一个较高值90V，通过调节电源将端电压稳定在100V左右进行放电。随着放电的进行，电解液变得浑浊，电解槽底部出现明显的沉淀，实验结束后，将沉淀进行反复地离心提纯，即得钛氧化物纳米球。
制得的TiO2纳米球，其形貌的扫描电子显微镜(SEM)照片如图2所示，SEM图显示这些球形颗粒的直径从100nm以下到几百个微米不等，其中纳米级的颗粒占据绝大多数，平均尺寸约在500nm左右。
本发明使用X射线衍射谱(XRD)和X射线能谱仪(EDX)对颗粒TiO2纳米球的成分进行表征，结果如图3、图4所示。图3的XRD图谱显示纳米球由三种类型的TiO2相组成，分别为金红石相，锐钛矿相，以及缺氧相。其中，缺氧相的成分可能为Ti10O19,Ti5O9或者Ti3O5这类相比于常规化学计量的TiO2存在氧原子空缺的物相。图4的EDX图谱分别给出了颗粒样品置于洗净硅片上(标识A所指代的曲线)和无样品存在情况下的洗净硅片(标识B所指代的曲线)的基底图谱。通过两者的对比可以发现，球形颗粒主要由Ti和O两种元素组成，从而证实所得到的产物为TiO2纳米球。
其他实验条件与上述制备TiO2纳米球相同，采用不同的阴极材料，可以得到不同的金属氧化物纳米球，如以Al丝作为阴极，可得到以Al2O3为主要成分的纳米球，以Cu丝作为阴极，可得到Cu2(OH)3NO3纳米球，以Fe丝作为阴极，可得到FeO、Fe2O3、Fe3O4混合成分的铁氧化物纳米球。由此可知，本发明对制备金属氧化物纳米球具有普遍的适用性和可扩展性。
本发明具有以下优点：
1、方法简单、便捷、环保，所采用的装置结构简单，成本低廉，制备操作过程方便，未使用有毒有害化学试剂；
2、纳米球制备产量大，如上述实验中TiO2纳米球的制备产量可达到50mg/min；
3、本发明对熔点不高的金属具有普遍适用性，可扩展性强，采用Ti、Al、Cu、Fe等不同的金属阴极材料，可以得到不同的金属氧化物纳米球。
4、本发明是一种行之有效的金属氧化物纳米球制备及掺杂改性手段，实验发现，等离子放电高温所溶解形成的金属颗粒进入到电解液时的淬火作用，对于纳米球的最终成分和结构起到了重要的改性和掺杂作用。溶液中的成分，易于在淬火过程中被结合到纳米球中，比如Cu丝作为阴极，NH4NO3作为电解液时，生成的纳米球成分为Cu2(OH)3NO3而非CuO。通过改变电解液成分，可以对生成的金属氧化物成分和结构进行掺杂改性，这种掺杂改性可提高金属氧化物纳米球的光响应特性、催化特性等。

Claims (5)

1.一种金属氧化物纳米球的制备方法，其特征在于：包括以下内容：在一电解槽中，阳极为Pt片，阴极为金属丝，电解液采用高导电性盐溶液，阳极和阴极浸入电解液的面积比为阳极：阴极＝20：1；
采用连续可调的大功率直流稳压电源，通过逐步加大电压，在阴极形成等离子放电，同时在溶液中形成沉淀物，将沉淀物进行提纯，即得到金属氧化物纳米球。
2.如权利要求1所述的金属氧化物纳米球的制备方法，其特征在于：所述阴极为所述金属氧化物纳米球所对应的金属材料。
3.如权利要求1所述的金属氧化物纳米球的制备方法，其特征在于：所述电解液为3mol/L的NH4NO3溶液。
4.如权利要求1所述的金属氧化物纳米球的制备方法，其特征在于：所述直流稳压电源的电压在0-200V之间可进行连续调整，最大电流为10A。
5.如权利要求1所述的金属氧化物纳米球的制备方法，其特征在于：所述通过逐步加大电压，在阴极形成等离子放电，具体为：
电压从开路电压值开始，以1V/s的速率增加，最后将端电压稳定在100V进行放电。
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