一种多级纳米多孔金属的制备方法技术

本发明专利技术属于纳米结构材料制备领域，尤其涉及一种多级纳米多孔金属的制备方法，步骤是：根据母合金A

【技术实现步骤摘要】
一种多级纳米多孔金属的制备方法


[0001]本专利技术涉及多孔金属材料的制备，尤其涉及一种多级纳米多孔金属的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，多孔金属材料由于其独特的性能优势受到人们广泛关注。其中，纳米多孔金属材料因具有纳米级孔径尺寸，故相较于常规多孔材料(如泡沫金属)具有更高的比表面积及其他特殊的物理、化学及力学性能。这些特性使其在催化、传感、能源和仿生领域展现出巨大的应用前景。制备纳米多孔金属的方法主要有模板法、粉末冶金发、固态金属烧结法和脱合金法等。其中，脱合金法因操作简单、成本低廉且所制得的多孔材料孔径小、形貌与尺寸可调控等诸多优点而备受人们青睐。
[0003]脱合金法是一类通过对均质合金进行选择性溶解，使残留元素进行自组装并最终形成三维双连续纳米结构的多孔材料制备方法。根据工艺条件与方法的不同，具体可划分为电化学脱合金法、液态金属脱合金法和真空气相脱合金法等。
[0004]专利申请CN102943187A公开了一种纳米多孔铜的制备方法，采用自由脱合金技术制备纳米多孔铜的方法，以三元非晶合金材料为原始材料，在室温下，用低浓度氢氟酸溶液进行自由脱合金化处理，快速制备纳米多孔铜，克服了现有技术制备工艺操作复杂，成本高，生产周期长，不适宜大规模工业化生产的缺点。但是其制得的纳米多孔金属铜条带为单一纳米多孔结构。
[0005]专利申请CN101590527A公开了一种纳米多孔银的制备方法，采用快速凝固和脱合金化相结合的方法来制备纳米多孔银，首先将纯金属铝、银加热到熔融态；然后，利用惰性气体将合金液快速吹出，使熔融的液态金属在高速旋转的铜辊上快速凝固，制备出合金条带；最后，在酸性腐蚀溶液中进行脱合金化处理；腐蚀过程结束后，将纳米多孔银在蒸馏水中洗至中性。该方法选用浓度较低的腐蚀溶液即可获得纳米多孔银，操作工艺简便，适宜大规模工业生产。本方法还可根据母合金的成分和腐蚀溶液的种类，调控纳米多孔银的结构和尺寸。该方法制得的柔性、无裂纹纳米多孔Ag金属材料也是单一纳米多孔结构。
[0006]而随着现代工业的发展，对纳米多孔材料的性能要求也越来越高，由传统脱合金方法制得的单一结构纳米多孔材料在快速物质交换、催化转换效率、能量转化效率和生物相容性等方面均已不能满足新的需求。例如，当纳米多孔金属作为电极材料时，充放电过程中生成的反应产物易将纳米级孔隙堵塞，从而降低电解液在多孔电极中的传质效率和反应速率进而影响电池的能量转化效率。此外，液流电池技术因电解液循环流动的特性，其多孔电极同样有高通过性和高反应活性的“双高”需求。为了解决上述问题，则需要在设计多孔结构时，既要保留小尺寸孔径和高密度孔洞带来的大比表面积和高物理/化学活性，又要构筑大孔隙结构以实现高效、快速的物质传输与交换。因此，研究制备兼具大孔与小孔特性的多级纳米多孔金属具有重要意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多级纳米多孔金属的制备方法，既保留了小尺寸孔径和高密度孔洞带来的大比表面积和高物理/化学活性，又构筑了大孔隙结构以实现高效、快速的物质传输与交换。
[0008]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种制备多级纳米多孔金属的方法，采用快速凝固吹铸、真空气相脱合金和液相化学腐蚀相结合的方式，步骤是：
[0009]第一步，制备A
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B
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Zn合金条带
[0010]根据母合金A
原子百分比为x％
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B
原子百分比为y％
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Zn
原子百分比为余量
各元素原子百分数计算所需各原料的质量，称取对应质量的纯金属A(质量百分比纯度为99.99％)、B(质量百分比纯度为99.99％)及锌粒(质量百分比纯度为99.99％)，原子百分比含量x、y分别为：5.00％～20.00％，10.00％～25.00％。将上述三种纯金属混合后放入熔炼炉内，加热至熔融状态后，浇铸成铸锭。随后对A
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B
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Zn合金铸锭进行机械打磨去除表层氧化皮，并使用感应熔炼
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甩带设备制备A
‑
B
‑
Zn合金条带，具体流程为：在0.1Pa的真空度下，施加30.0A～35.0A感应电流(温度约为1200～1500℃)使合金铸锭重熔，使用压力为0.5～1MPa的惰性气体(氩气)将熔融的液态金属吹出，使其在转速为2000～3000rpm的铜辊上激冷，铸成长度为5～50cm，宽度为2～3mm，厚度为25～40μm的A
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B
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Zn合金条带。
[0011]元素A选自Ag、Au、Cu、Ni、Co、Mn、Fe等；
[0012]元素B选自Cu、Ni或Al；
[0013]其中母合金A
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B
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Zn的元素组合优选为：Ag
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Cu
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Zn、Cu
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Ni
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Zn、Cu
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Al
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Zn等。
[0014]第二步，真空气相脱合金处理
[0015]从第一步制得的A
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B
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Zn合金条带上截取若干长度为20～30mm的试样，放入真空管式炉中进行真空气相脱合金处理，制备微米多孔A
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B合金。具体流程为：将截取下的试样使用坩埚盛放后放入管式炉加热区，通过真空泵将管式炉内气压降至1～10Pa，并通入流速分别为100～200sccm的氩气和25～75sccm的氢气作为保护气防止加热过程合金氧化，管式炉温度设置为350～650℃，保温0.5～3h后随炉冷却，利用高温、高真空下条件下锌元素与其他两种元素的饱和蒸气压差，去除A
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B
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Zn合金中的锌元素，制得具有微米级孔径结构的多孔A
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B合金条带。
[0016]第三步，液相化学腐蚀处理
[0017]将第二步制得的微米多孔A
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B合金条带置于水浴加热的腐蚀液中进行去合金化处理，水浴温度为40～60℃，腐蚀液为0.1M盐酸和0.01～0.75M氯化铁混合液(当B元素为铜时)或0.5～1M氢氧化钠溶液(当B元素为铝时)或2M盐酸(当B元素为镍时)。液相化学腐蚀处理900～5400s后，微米级韧带上的B元素被去除，则可制备出具有多级纳米多孔结构的金属A条带。
[0018]第四步，多级纳米多孔金属条带的后处理和保存
[0019]首先将第三步制得的多级纳米多孔金属A条带放入去离子水中清洗至中性，再用无水乙醇清洗，清洁干燥后放入真空度为0.1MPa的真空干燥器内保存，备用。
[0020]上述一种制备多级纳米多孔金属的方法，所涉及到的原材料的来源、设备和操作工艺均是本
内技术人员所公知的。
[0021]与现有技术相比，本专利技术方法的突出优点是：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级纳米多孔金属的制备方法，其特征在于，采用快速凝固吹铸、真空气相脱合金和液相化学腐蚀相结合的方式，具体步骤是：第一步，制备A
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B
‑
Zn合金条带根据母合金中各元素的原子百分比：元素A为5.00％～20.00％，元素B为10.00％～25.00％，其余为Zn，计算所需各原料的质量，称取对应质量的纯金属A、B和锌粒，将三者混合作为母合金原料，放入熔炼炉内，加热至熔融状态后，浇铸成铸锭，随后对A
‑
B
‑
Zn合金铸锭进行机械打磨去除表层氧化皮，并使用感应熔炼
‑
甩带设备制备A
‑
B
‑
Zn合金条带；第二步，真空气相脱合金处理将第一步制得的A
‑
B
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Zn合金条带放入真空管式炉中进行真空气相脱合金处理，制备微米多孔A
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B合金；第三步，液相化学腐蚀处理将第二步制得的微米多孔A
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B合金条带置于水浴加热的腐蚀液中进行液相化学腐蚀，水浴温度为40～60℃，腐蚀900～5400s后，微米级韧带上的B元素被去除，则可制备出具有多级纳米多孔结构的金属A条带；第四步，多级纳米多孔金属条带的后处理和保存将第三步制得的多级纳米多孔金属A条带清洁干燥后放入真空干燥器内保存，备用。2.根据权利要求1所述的一种多级纳米多孔金属的制备方法，其特征在于，第一步中，使用感应熔炼
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甩带设备制备A
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B
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Zn合金条带的具体流程为：在0.1Pa的真空度下，施加30～35.0A感应电流，于1200～1500℃使合金铸锭重熔，使用压力为0.5～1MPa的惰性气体将熔融的液态金属吹出，使其在转速为2000～3000rpm的铜辊上激冷，铸成长度为5～50cm，宽度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘攀，王鑫垚，张棋雯，李艳影，吴灏斐，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：