一种制备氢掺杂氧化物陶瓷微纳米材料的方法技术

一种制备氢掺杂氧化物陶瓷微纳米材料的方法，属于无机非金属材料领域。本发明专利技术采用阴极等离子电解技术，以金属盐溶液为电解液，加入一定量的水溶性高分子和改性剂；惰性电极或对应金属盐的金属或合金为阳极材料，以钛、铝、铁等单一金属或钛、铝、铁组合的合金为阴极材料；施加一定的电压使阴极表面及周围发生等离子体放电，之后反应产物在阴极表面及周围沉积，部分产物经轰击等作用溅射到电解液中，经提纯、干燥等处理得到具有粒径分布均匀，比表面积大等特点的纳米及微米尺度的氧化物陶瓷颗粒。与其他常规粉体制备技术相比，本发明专利技术制备方法简单，一次性投入成本低，且将制备氢氧化物、高温烧结以及氢化处理等多步骤反应集成一步，缩短了制备流程，高效地制备出氢掺杂改性的微纳米材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机非金属材料领域，涉及的是一种利用液相阴极等离子电解技术制备氢掺杂氧化物陶瓷微纳米材料的方法。
技术介绍
氧化物结构陶瓷是发展比较早且应用广泛的一类陶瓷材料，具有高强度、耐高温、抗氧化及良好的化学稳定性和电绝缘性等性能。氧化物陶瓷品种繁多，用途极为广泛，可作为结构材料，功能材料和高级耐火材料。而具有微纳米结构的氧化物陶瓷由于其比表面积大、表面活性高等特点，更被广泛应用于电子、信息、激光、红外、计算机、宇航、原子能、化工、冶金等许多领域。掺杂是氧化物陶瓷研究中常用的性能调控手段，氢在氧化物材料中掺杂的研究工作目前还很少。传统上，氢对材料的作用一般主要研究于金属材料的氢脆、氢致裂纹及断裂等危害。而近年来，原子氢掺杂氧化物材料改性作为一个新兴的研究领域，在国际上受到越来越多的学术关注。通过原子氢改性能够得到常规方法制备的氧化物材料所不具有的一些奇特性能，如TiO2等材料光学性能的变化，以及Al2O3、ZnO等材料电学性能的显著改变等。氢及其同位素对固体材料的掺杂过程是一种复杂的物理化学综合过程，包含—系列彼此独立而又相互关联的理化变化。实现氢掺杂的处理方式一般有两种：高温气相氢处理和电化学氢处理。高温气相氢处理中，一般需要先进行真空处理，之后通入一定压强的氢气，在较高温度下进行数小时甚至数天的热处理；电化学氢处理中，一般需要先将样品制成电极，若材料的导电性差还需要进行预处理，之后将样品放入溶液中进行数天的电化学氢处理。以上两种方法均是在制备陶瓷的基础上，再进行较长时间且较复杂的氢化处理。专利技术专利“一种液相阴极等离子电解制备氧化铝微球粉末的方法（ZL 201510587893.9）”提出利用阴极等离子技术制备氧化铝微球，但此种方法用于氧化铝微球的制备时，只适用于制备结构和功能相对简单的微球，而不能扩展到其他的氧化物陶瓷微纳米材料，更没有涉及氢掺杂对氧化物陶瓷微纳米材料的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种集陶瓷制备及氢化处理于一步的方法制备氢掺杂氧化物陶瓷微纳米材料。该方法采用阴极等离子电解技术，不仅可以制备出多种氢掺杂改性的氧化物陶瓷微纳米材料，而且具有制备简单、节约成本的特点。本专利技术以金属盐溶液为电解液，加入一定量的水溶性高分子，对电解液进行加热处理；惰性电极或对应金属盐的金属或合金为阳极材料，以钛、铝、铁等单一金属或钛、铝、铁组合的合金为阴极材料；施加一定的电压使阴极表面及周围发生等离子体放电，之后反应产物在阴极表面及周围沉积，部分产物经轰击等作用溅射到电解液中，经提纯、干燥等处理得到氧化物陶瓷微纳米产物。本专利技术的具体方法如下：选用一种或多种金属盐溶液作为电解液，包括硫酸钛、硝酸锆、硝酸钇、硝酸铁或硫酸铁、硝酸铝、硝酸锡、硝酸镧、硝酸锌或硫酸锌等，以及上述几种金属盐的混合，控制金属盐溶液浓度在5～500g/L；控制阴极材料与阳极材料的面积比小于1：1；阴极等离子电解时，采用脉冲电源或直流电源，控制电压为50～300V，使用脉冲电源时，频率100～1000Hz，占空比10%～90%；控制反应时间在2min及以上时间。所述水溶性高分子是聚乙烯醇，或聚乙二醇，或聚氧化乙烯，或聚乙烯吡咯烷酮，加入量在2g/L～50g/L之间。所述电解液加热处理的温度范围是20~100℃，处理时间为0.5~10小时。所述惰性电极选用石墨或铂片。所述提纯、干燥是将阴极等离子电解处理后的电解液，经过静置得到底部浑浊液或直接离心处理，经水及酒精清洗数次，之后在干燥箱中干燥收集，即得掺杂有氢的氧化物陶瓷微纳米材料。本专利技术的优点在于：（1）充分利用阴极析氢反应及等离子体能量，在不需额外氢化处理的条件下，在溶液中制备出粒径分布均匀，比表面积大且光学、电学等物理化学性能优异的氢掺杂氧化物陶瓷微纳米材料。（2）对电解液进行加热等处理，或加入水溶性高分子，或经以上两步处理，可以降低阴极等离子电解过程中的电流密度，实现低功耗制备。（3）该方法制备简单，一次性投入成本低，且将制备氢氧化物、烧结以及氢化处理等多步骤反应集成一步，缩短了制备流程，高效地制备出氢掺杂改性的微纳米材料。附图说明图1为实施例1中氢掺杂二氧化钛微纳米材料的形貌。图2为实施例2中氢掺杂二氧化锆微纳米材料的形貌。具体实施例下面结合实施例对本专利技术的技术方案进一步说明。实施例1选用硫酸钛溶液为电解液，控制浓度在150g/L；加入20g/L聚乙二醇，对电解液进行20℃，0.5小时的处理。以钛合金为阴极，铂片为阳极，阴阳极面积比为1:3。采用脉冲电源，控制电压60~120V，频率500Hz，占空比60%。控制反应时间为10min，进行阴极等离子电解反应。将反应后的电解液，经过静置得到底部浑浊液，经离心处理（4000转/分钟），并用水及酒精清洗数次，之后将产物在干燥箱中干燥收集，得到掺杂有氢的二氧化钛陶瓷微纳米材料（如图1所示）。经检测，产物中的氢含量约为1.89ppm。实施例2选用五水合硝酸锆溶液为电解液，控制浓度在300g/L；加入20g/L聚乙二醇，对电解液进行80℃，4小时的处理。以钛合金为阴极，铂片为阳极，阴阳极面积比为1:4。采用脉冲电源，控制电压70~140V，频率500Hz，占空比60%。控制反应时间为30min，进行阴极等离子电解反应。将反应后的电解液，经过静置得到底部浑浊液，经离心处理（4000转/分钟），并用水及酒精清洗数次，之后将产物在干燥箱中干燥收集，得到掺杂有氢的二氧化锆陶瓷微纳米材料（如图2所示）。经检测，产物中的氢含量约为52.54ppm。实施例3选用九水合硝酸铁溶液为电解液，控制浓度在300g/L；加入15g/L聚乙烯吡咯烷酮，对电解液进行20℃，0.5小时的处理。以不锈钢为阴极，铂片为阳极，阴阳极面积比为1:2。采用脉冲电源，控制电压60~120V，频率500Hz，占空比40%。控制反应时间为10min，进行阴极等离子电解反应。将反应后的电解液，经过静置得到底部浑浊液，经离心处理（4000转/分钟），并用水及酒精清洗数次，之后将产物在干燥箱中干燥收集，得到掺杂有氢的氧化铁陶瓷微纳米材料。实施例4选用六水合硝酸锌溶液为电解液，控制浓度在300g/L；加入20g/L聚乙二醇，对电解液进行20℃，0.5小时的处理。以钛合金为阴极，铂片为阳极，阴阳极面积比为1:4。采用脉冲电源，控制电压70~120V，频率500Hz，占空比80%。控制反应时间为10min，进行阴极等离子电解反应。将反应后的电解液，经过静置得到底部浑浊液，经离心处理（4000转/分钟），并用水及酒精清洗数次，之后将产物在干燥箱中干燥收集，得到掺杂有氢的氧化锌陶瓷微纳米材料。实施例5选用五水合硝酸锆和六水合硝酸钐混合溶液为电解液，控制浓度分别为257.6g/L及266.7g/L；加入20g/L聚乙烯吡咯烷酮，对电解液进行60℃，4小时的处理。以钛合金为阴极，铂片为阳极，阴阳极面积比为1:4。采用脉冲电源，控制电压100~170V，频率500Hz，占空比60%。控制反应时间为20min，进行阴极等离子电解反应。将反应后的电解液，经过静置得到底部浑浊液，经离心处理（4000转/分钟），并用水及酒精清洗数次，之后将产物在干燥箱中干燥收集，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备氢掺杂氧化物陶瓷微纳米材料的方法，其特征在于：以金属盐溶液为电解液，加入一定量的水溶性高分子，对电解液进行加热处理；惰性电极或对应金属盐的金属或合金为阳极材料，以钛、铝、铁单一金属或钛、铝、铁组合的合金为阴极材料；施加一定的电压使阴极表面及周围发生等离子体放电，之后反应产物在阴极表面及周围沉积，部分产物经轰击等作用溅射到电解液中，经提纯、干燥等处理得到氧化物陶瓷微纳米产物。

【技术特征摘要】
1.一种制备氢掺杂氧化物陶瓷微纳米材料的方法，其特征在于：以金属盐溶液为电解液，加入一定量的水溶性高分子，对电解液进行加热处理；惰性电极或对应金属盐的金属或合金为阳极材料，以钛、铝、铁单一金属或钛、铝、铁组合的合金为阴极材料；施加一定的电压使阴极表面及周围发生等离子体放电，之后反应产物在阴极表面及周围沉积，部分产物经轰击等作用溅射到电解液中，经提纯、干燥等处理得到氧化物陶瓷微纳米产物。2.如权利要求1所述的制备氢掺杂氧化物陶瓷微纳米材料的方法，其特征在于：具体方法是选用一种或多种金属盐溶液作为电解液，包括硫酸钛、硝酸锆、硝酸钇、硝酸铁或硫酸铁、硝酸铝、硝酸锡、硝酸镧、硝酸锌或硫酸锌，以及上述几种金属盐的混合，控制金属盐溶液浓度在5～500g/L；控制阴极材料与阳极材料的面积比小于1：1；阴极等离子电解时，采用脉冲电源或直流电源，控制电压为50～300V...

【专利技术属性】
技术研发人员：张津，刘宸旭，何业东，连勇，张曙光，纪若男，王晟典，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11