一种气溶胶辅助制备单晶纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术是一种气溶胶辅助制备单晶纳米颗粒的方法，属于无机纳米材料领域。以反相微乳作为反应体系，有机溶剂为连续相，以金属前驱体的水溶液作为分散相，通过加入表面活性剂形成油包水型微乳体系，继而通过共沸精馏的方式除去体系中的水，得到金属前驱体纳米颗粒。然后将其分散在有机溶剂中形成溶胶并雾化为气溶胶，所得气溶胶液滴直接或经过微波辐照进入放有碱金属卤化物的管式炉得到碱金属卤化物包裹纳米金属或金属氧化物的核壳结构颗粒。最后对上述包裹型颗粒进行适当热处理，即可得到所需的金属或金属氧化物单晶纳米颗粒。本发明专利技术还具有应用范围广、操作简单和成本低廉等优势，适用于众多金属、合金和金属氧化物纳米颗粒的制备。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术是，属于无机纳米材料领域。以反相微乳作为反应体系，有机溶剂为连续相，以金属前驱体的水溶液作为分散相，通过加入表面活性剂形成油包水型微乳体系，继而通过共沸精馏的方式除去体系中的水，得到金属前驱体纳米颗粒。然后将其分散在有机溶剂中形成溶胶并雾化为气溶胶，所得气溶胶液滴直接或经过微波辐照进入放有碱金属卤化物的管式炉得到碱金属卤化物包裹纳米金属或金属氧化物的核壳结构颗粒。最后对上述包裹型颗粒进行适当热处理，即可得到所需的金属或金属氧化物单晶纳米颗粒。本专利技术还具有应用范围广、操作简单和成本低廉等优势，适用于众多金属、合金和金属氧化物纳米颗粒的制备。【专利说明】
本专利技术属于无机纳米材料领域，涉及。该方法制备的金属、合金、氧化物单晶纳米颗粒其大小、组成和晶相可单独控制，能够广泛应用于电学、磁学、光学、环境、金属防腐和催化等领域。
技术介绍
单分散纳米颗粒是指形状和组成均一，且粒径分布非常窄的纳米尺寸颗粒。高度单分散纳米颗粒形貌统一、大小一致、晶型一致，是开展纳米材料基础研究和应用研究的前提。随着现代工业和科学技术的迅速发展，近年来，纳米材料的发展和应用已引起各国的高度重视。纳米金属与合金材料是纳米材料学的重要组成部分，其应用前景更是得到人们的共识。纳米材料由于自身特殊功能而日益成为高
竞争的制高点，已在新型能源材料、生态环境材料、功能涂层材料、高性能电子材料以及新型稀土材料等领域发挥着无可替代的作用。其中，纳米合金材料由于其粒径尺寸及结构不同于块状合金材料，而在电学、磁学、光学、环境、金属防腐和催化等方面表现出非常良独特的性质，已成为近几年来纳米材料领域的研究重点。纳米粒子的制备方法很多，其中研究较多的就是有关金属纳米材料的制备，而合金材料的制备也正逐步趋于完善和成熟，尤其对于二元合金，已成功开发出多种制备手段，如机械合金化法、还原法、超声波法、脉冲电沉积法、静高压合成法、氢等离子体一金属反应法和液相还原法等。机械合金化法又称高能球磨法，此法很容易地使具有bcc结构(如Cr、Mo、W、Fe等)和hep结构(如Zr、Hf、Ru等)的金属形成纳米晶结构,而具有fee结构的金属(如Cu)则不易形成纳米晶。这种这种方法是利用球磨机的转动或震动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。日本东京大学Shingu等人首先报道了用高能球磨法制备纳米晶材料，为纳米材料的制备找到了一条实用化的途径。杨景海等利用高能球磨机制备出了具有新型结构的二元SiTi3合金颗粒。Gross等人曾以该法作为预处理过程成功制备了 MgNi3B2。高能球磨法制备的纳米金属与合金结构材料具有产量高、工艺简单等优点，但也存在一些不足，主要是晶粒尺寸不均匀，还容易弓I入杂质。化学还原法也是一种制备纳米合金颗粒的有效可行的方法。这种方法以氧化还原反应为基础，首先将两种或两种以上的金属前驱体溶液或金属有机化合物在溶剂中利用适当还原剂将金属离子还原出来，然后与修饰剂相作用而制备出修饰剂修饰的合金颗粒。这种方法具有以下优点:(I)可通过调节搅拌速率、介质浓度、反应时间等实现对金属或合金纳米颗粒的可控性；(2)可制备多种纳米金属或合金以及表面改性的纳米金属或合金；(3)可制备多元纳米合金；(4)该方法易于工业化且产率较高。D’ Souza等人曾用还原法合成了 Pt-Pd 合金粒子。Del Angel等也曾报道过利用表面氧化还原反应制备聚集体Pt-Au合金催化剂。张邦维等用KBH4还原FeSO4和Na2WO4制备了 Fe-W-B合金粉末。化学还原法方法简单，操作方便。用这种方法制得的合金颗粒一般粒度大小可控，成分均匀，分散性好，但有的还原剂价格较贵，还原速度不易控制。超声波法又称声化学法，这是一种新型而简便的合金制备方法。声化学研究的超声波频率范围在200kHz - 2MHz。功率超声利用的是超声波的能量特性，而声化学则同时利用超声波的能量特性和频率特性。在纳米材料的制备中多采用功率超声，有的是利用空化过程的高温分解作用；有的是利用超声波的分散作用；有的是利用超声波的机械扰动对沉淀形成过程的动力学影响或超声波的剪切破碎机理对颗粒尺寸的控制作用。有关这方面的文献报道不多，其中较成熟的制备方法是利用金属离子的母体溶液进行超声制备，Shafi等人曾用这种方法成功制备出非晶Co-Ni 二元合金粉末。实验是在室温和100 - 150kPa氩气保护下进行的，将0.25M的CO (NO) (CO) 3和Ni (CO) 4的溶液在十氢化萘溶液中超声3h (20kHz, 100ff/cm2)即制得黑色 Co-Ni 合金粉末。之后 Shafi 等人用这种方法又成功制备了 Fe-N1-Co三元合金。超声波化学法具有反应速度快、条件温和、反应效率高的优点，但是目前由于超声化学机理和设备的不够完善，此种方法在工业上大规模的应用很少。激光汽化器控制浓度法利用激光制备超细微粒的基本原理是利用反应气体分子对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应，在一定工艺条件下，获得超细粒子空间成核和生长。这种方法有清洁表面、粒子大小可精确控制、无粘结，以及粒度分布均匀等优点，能够制备出几纳米至几十纳米非晶态或晶态纳米微粒，但是目前自种方法的成本比较高，难以普及。氢等离子体-金属反应法是利用电弧放电使金属熔化成为烟尘状态，然后在惰性气体保护下与氢等离子体相作用而形成合金或金属单质纳米颗粒，形成的颗粒可由循环气流吹到收集器上进行收集，收集器由多片不锈钢网孔构成。熔掉的金属棒可通过支持器使其上升加以补充，从而实现连续生产。另外值得提出的是，后处理过程中淬火是影响形成顺磁性粒子的主要因素。1969 年 Wada 提出等离子体喷射火焰技术来大批量生产金属粉末，但未能商业化。随后Uyeda以及Uda等人又经过多次研究，但均未能实现连续化生产。90 年代末 Dong 等采用氢等离子体-金属反应法成功解决了连续化生产问题，但是能耗大,生产成本较高。纳米氧化物及其复合氧化物的制备方法主要有共沉淀法、溶胶凝胶法、有机配合物前驱体法等。共沉淀法是液相化学反应合成金属氧化物纳米颗粒最早采用的方法。沉淀法成本较低，但有如下问题:沉淀物通常为胶状物，水洗、过滤较困难；沉淀剂作为杂质易混入；沉淀过程中各种成分可能发生偏析，水洗时部分沉淀物发生溶解。此外由于大量金属不容易发生沉淀反应，因此这种方法适用面也较窄。溶胶-凝胶法是另一类重要的制备金属氧化物及其复合材料的方法。该方法不仅可以用来制备无机氧化物纳米材料，还可以制备有机/无机的杂化复合材料。传统的溶胶-凝胶法一般采用有机金属醇盐为原料，通过水解、聚合、干燥等过程得到固体的前驱物，最后再经适当热处理得到纳米材料。由于采用金属醇盐为原料，使该方法成本较高。由于凝胶化过程较慢，因此一般合成周期较长。另外，一些不容易通过水解聚合的金属如碱金属较难牢固地结合到凝胶网络中，从而使得该方法制得的纳米金属氧化物及其复合氧化物种类有限。有机配合物前驱体法是另一类重要的纳米金属氧化物的制备方法。其原理是采用容易通过热分解去除的多齿配合物，如柠檬酸为分散剂，通过配合物与不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气溶胶辅助制备单晶纳米颗粒的方法，其特征在于按照下述步骤进行： (1) 以反相微乳作为反应体系，该体系以有机溶剂为连续相，以金属前驱体的水溶液作为分散相，通过加入表面活性剂形成油包水型微乳体系；该微乳体系先于50~160℃下搅拌1~72 h，然后将温度升至70~200℃，搅拌下，共沸精馏1~48 h后除去分散相中的水；(2) 将步骤 (1) 处理后的悬浊液离心或过滤后收集，在20~150℃下烘干，所得固体粉末加入有机溶液中配制成前驱体溶液，超声溶解，该溶液粉末的浓度为0.05%~15%（wt%）；(3) 将步骤 (2) 中得到的前驱体溶液，经气溶胶发生器雾化形成气溶胶液滴；(4) 将步骤 (3)得到的气溶胶液滴在载气作用下通过微波发生器辐照得到单分散气溶胶液滴；微波辐照的功率400 W~600 KW，微波作用时间0.01 s~10 min；(5) 将步骤 (3)或(4)中所得的气溶胶液滴在载气作用下进入放有碱金属卤化物的管式炉进一步300~1200℃下处理得到碱金属卤化物包裹的气溶胶纳米颗粒，经过收集即得到碱金属卤化物包裹的金属单质、合金或金属氧化物纳米颗粒，其粒径为3~100 nm；(6)将步骤 (5) 中的固体粉末在N2或空气条件下300~700℃热处理3~10 h，然后用去离子水洗涤、离心3~6次，干燥后得到金属氧化物纳米颗粒；(7) 将步骤 (6)中所得的纳米粒子在H2气氛中还原生成碱金属卤化物包裹金属单质或合金结构的纳米颗粒，得到的固体粉末用去离子水洗涤、离心3~6次后，得到金属单质或合金，其中H2的体积分数为2%~100%，还原温度为50~750℃，还原时间为1~30h。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兴茂，梁帅，张耕，闵建中，任婧，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32