合成金属泡沫的方法、金属泡沫、其用途和包含该金属泡沫的器件技术

本发明专利技术涉及合成金属泡沫的方法、金属泡沫、其用途和包含该金属泡沫的器件，具体地，本发明专利技术涉及合成至少一种金属M的具有多孔微米结构的金属泡沫的方法。所述方法包括接触辉光放电电解的步骤，所述电解是在于在电解溶液中进行的电解等离子体还原，在所述电解溶液中浸有与连续电源相连的阳极和阴极，所述电解溶液包含在溶剂中的至少一种第一电解质，所述第一电解质是所述至少一种金属M的阳离子形式，所述电解溶液进一步包含明胶。本发明专利技术还涉及能够通过所述方法获得的金属泡沫、涉及所述泡沫的用途和包含该泡沫的器件。

【技术实现步骤摘要】
合成金属泡沫的方法、金属泡沫、其用途和包含该金属泡沫的器件
本专利技术涉及合成低密度金属泡沫的方法，该类泡沫具有三维多孔微米结构。要指出的是“微米结构”意思是其中组成元件，即：条带，具有包含在0.1μm-100μm，或甚至包含在0.01μm-100μm的尺寸或长度的结构。本专利技术还涉及多孔金属泡沫并且其中所述条带具有包含在这些相同范围的尺寸或长度，所述金属泡沫能够通过此合成方法获得。本专利技术还涉及该类金属泡沫的用途，特别是在催化剂和电子领域中的用途。本专利技术最后涉及包含该类金属泡沫的器件，该类器件特别是能够由微电极或微传感器构成。
技术介绍
为了其在许多应用领域中，如催化、吸收剂和电子和/或在各种器件如传感器、电池和用于存贮气体如氢气的装置中的用途，目前已做了许多工作以合成低密度金属泡沫。表述“低密度金属泡沫”意思是其中表观密度小于或等于相应金属的理论密度的10％的金属泡沫。该类金属泡沫由具有微米或甚至纳米三维多孔结构的金属材料构成。要指出的是表述“纳米结构(nanometricstructure)”或替代用的术语“纳米结构(nanostructure)”意思是其中组成元件，即：条带，具有包含在1nm-100nm的尺寸或长度的结构。由于其微米结构，这些金属泡沫具有高的比表面，这赋予它们许多优点，其中这提供了非常快速的电化学反应能力。由此可以考虑使用这些金属泡沫制造气体微传感器和微电极，该类微电极能够特别是旨在用于电子工业中。在能够合成金属泡沫的已知方法中，可以引述的是实施称为“高电流密度”的电解的方法，在所述电解过程中电解溶液中存在的金属阳离子发生电解还原。根据此方法，金属离子(1)的所述电解还原与伴随的水(2)的电解还原一起进行。在阴极表面发生的相应的电解还原反应分别如下：Mn++ne-→M(1)其中M表示金属和n为整数。水的电解还原在阴极表面产生由多个氢气气泡形成的气态释放，其将要充当用于形成金属泡沫的间隙或孔的基质。由此观察到，在阴极表面，还原的金属M以金属泡沫的形式沉积。事实上，此沉积物具有多孔结构，通过由电解质中存在的水的还原形成的氢气泡保证了孔的形成。尽管如此，但是可以观察到如通过以高电流密度的此电解还原方法获得的金属泡沫的孔不具有规则均匀的大小，由于释放的氢气泡的聚结现象所以所述大小特别是随着金属泡沫的厚度而增加。另外，沉积在阴极表面上的此金属泡沫的厚度限制在几百微米，也是由于释放的氢气泡的此聚结现象。另外，观察到此金属泡沫非常易碎并且不可处理且甚至不太成型。C.Zhou等最近发表的一篇文章(“Nanoporousplatinumgrownonnickelfoambyfacileplasmareductionwithenhancedelectro-catalyticperformance”，ElectrochemistryCommunications,2012,18,33-36)，参考本说明书最后的[1]，描述了合成金属泡沫的另一种方法，所述方法包括接触辉光放电电解的步骤。接触辉光放电电解(CGDE)是在最近几年在几个研究领域中重感兴趣的方法。在K.Azumi等发表的文章中("RemovalofoxidelayeronSUS304usinghigh-voltagedischargingpolarization",ElectrochimicaActa,2007,52,4463-4470),参考[2]，作者描述了实施此CGDE法用于处理氧化的表面。还可参考R.Wüthrich等2010发表的文章。("Buildingmicroandnanosystemswithelectrochemicaldischarges",ElectrochimicaActa,2010,55,8189-8196)，参考[3]，其综述了文献中描述的此CGDE法的应用。在这些应用中，特别可以引述的是非导电材料的微加工、废水处理、表面处理和纳米颗粒的合成。特别地，此文章[3]报告了合成镍、铜、铂或金的胶体纳米颗粒，或合成铂和金的混合胶体纳米颗粒，以及镍、钛、银或金的胶体纳米珠。这些纳米颗粒或纳米珠被称为“胶体的”，因为它们在电解溶液中为悬浮的。部分这些纳米颗粒据描述能够得到位于几十纳米至几纳米范围的粒度。已经特别合成了具有包含在几纳米至大约50nm的粒度的镍纳米颗粒以及具有包含在5nm-大约30nm的粒度的铜纳米颗粒。尽管如此，但所述文章[3]并没有以任何方式描述纳米材料的合成并且甚至更少描述金属泡沫。事实上，为了控制纳米颗粒的大小和为了避免在阴极上形成金属沉积，此文章[3]教导使用旋转圆盘电极，使得可以保证得到纳米颗粒的胶体溶液。在合成纳米珠的情况下，使用扫描电子显微镜观察阴极表面显示存在相对分散的纳米球，其具有几百纳米的大小。T.A.Kareem等2011年发表的文章(“Glowdischargeplasmaelectrolysisfornanoparticlessynthesis”，Ionics,2012,18,315-327)，参考[4]，也综述了迄今为止描述的合成胶体纳米颗粒的不同方法，并且特别是铜、铂或金的纳米颗粒以及铂和金的混合纳米颗粒，这些纳米颗粒的大小位于30nm-400nm之间。与文章[3]和[4]不同，文章[1]提出实施接触辉光放电电解法用于合成多孔金属纳米材料而不是胶体金属纳米颗粒。更精确地，所述文章[1]描述了复合材料的合成，包括纳米多孔铂泡沫通过在环境温度下进行的所述CGDE法在镍泡沫基体上沉积。所述文章[1]中进行的该试验显示：电解溶液中铂Pt4+阳离子的浓度越高，镍泡沫的表面被纳米多孔铂泡沫覆盖的越多并且所述孔的平均直径下降越大，达到大约100nm的值。尽管如此，此文章[1]中提供的图像没有真正地显示三维多孔微米结构的金属泡沫，术语“微米的”如上面所定义。另外，在此文章[1]中没有表明所述纳米多孔铂泡沫可以从在其上面沉积的镍泡沫中分离以便例如进行成型。因此，本专利技术的目的是克服现有技术的缺点并提出合成低密度金属泡沫的方法，所述金属泡沫具有三维的多孔微米结构或甚至是多孔的纳米结构，另外与用高电流密度电解法得到的泡沫不同，所述结构遍及其厚度都是规则均匀的。另外此方法必须使得可以得到具有一定厚度的金属泡沫，所述厚度有利地为至少0.1mm，另外所述金属泡沫足够坚固以便使其能够特别是通过加工进行处理，或者甚至补充的成型步骤，来赋予其例如与该金属泡沫可能的用途适合的形式。
技术实现思路
首先通过合成至少一种金属M的金属泡沫的方法达到了上面提及的目的和其它目的，所述金属泡沫具有三维多孔微米结构。根据本专利技术，此方法包括接触辉光放电电解的步骤，所述电解是在于在电解溶液中进行的电解等离子体还原，在所述电解溶液中浸有与连续电源相连的阳极和阴极，所述电解溶液包含在溶剂中的至少一种第一电解质，所述第一电解质是所述至少一种金属M的阳离子形式，所述电解溶液进一步包含明胶。接触辉光放电电解(CGDE)法也称为“电解等离子体”电解法，是一种特别的电解方法，其中已知作为“电解等离子体”的等离子体位于极化的电极和其中浸有电极的电解溶液之间。在围绕着极化的电极的气体离子化之后，此电解等离子体由称作“临界电压”的电压形成，所述气体本身本文档来自技高网...

【技术保护点】
合成至少一种金属M的金属泡沫的方法，所述金属泡沫具有多孔结构并且其中所述条带具有包含在0.01μm‑100μm之间的尺寸，所述方法包括接触辉光放电电解(CGDE)的步骤，所述电解是在于在电解溶液(16)中进行的电解等离子体还原，在所述电解溶液(16)中浸有与连续电源(22)相连的阳极(18)和阴极(20)，所述电解溶液(16)包含在溶剂中的至少一种第一电解质，所述第一电解质是所述至少一种金属M的阳离子形式，所述电解溶液进一步包含明胶。

【技术特征摘要】
2013.07.12 FR 13568751.合成至少一种金属M的金属泡沫的方法，所述金属泡沫具有多孔结构并且其中条带具有包含在0.01μm-100μm之间的长度，所述方法包括接触辉光放电电解(CGDE)的步骤，所述电解是在于在电解溶液(16)中进行的电解等离子体还原，在所述电解溶液(16)中浸有与连续电源(22)相连的阳极(18)和阴极(20)，所述电解溶液(16)包含在溶剂中的至少一种第一电解质，所述第一电解质是所述至少一种金属M的阳离子形式，所述电解溶液进一步包含明胶。2.根据权利要求1所述的方法，包括下列连续步骤：-将阳极(18)和阴极(20)引入电解溶液(16)中，-施加通过连续电源(22)输送的大于或等于临界电压Uc的电压，以便围绕阴极(20)至少部分地形成电解等离子体(24)，-保持所述电压以便形成微电弧，所述微电弧将金属M的阳离子形式还原，以便在阴极(20)表面上形成金属M的金属泡沫，-从电解溶液(16)中撤去所述阴极(20)，和-任选地收集在阴极(20)表面上形成的金属M的金属泡沫。3.根据权利要求2所述的方法，其中施加电压位于其中强度作为所述电压的函数恒定不变的电压范围内。4.根据权利要求2或3所述的方法，其中在切断电压之前从电解溶液(16)中撤去阴极(20)。5.根据权利要求2或3所述的方法，其进一步包含下面补充步骤中的至少一个：-搅拌所述电解溶液(16)，-至少在阴极(20)放置在电解溶液(16)中时，旋转阴极(20)。6.根据权利要求2或3所述的方法，其中施加电压包含在10V-100V之间。7.根据权利要求2或3所述的方法，其中施加电压包含在15V-50V之间。8.根据权利要求2或3所述的方法，其中施加电压包含在20V-30V之间。9.根据权利要求2或3所述的方法，其中施加电压保持包含在5秒-5分钟之间的持续时间。10.根据权利要求2或3所述的方法，其中施加电压保持包含在10秒-2分钟之间的持续时间。11.根据权利要求2或3所述的方法，其中施加电压保持包含在20秒-60秒之间的持续时间。12.根据权利要求1或2所述的方法，其进一步包含收集的所述金属泡沫成型的步骤。13.根据权利要求12所述的方法，所述成型步骤包含至少一个选自电铸和加工的步骤。14.根据权利要求1或2所述的方法，其中电解溶液(16)中的明胶浓度小于或等于200g/l。15.根据权利要求1或2所述的方法，其中电解溶液(16)中的明胶浓度包含在1g/l-100g/l之间。16.根据权利要求1或2所述的方法，其中电解溶液(16)中的明胶浓度包含在5g/l-50g/l之间。17.根据权利要求1或2所述的方法，其中电解溶液(16)中的明胶浓度包含在10g/l-25g/l之间。18.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述第一电解质是金属盐。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述金属盐包含金属M的至少一种选自硫酸根、硝酸根、卤离子、氰离子CN-和氢氧根的元素。20.根据权利要求1或2所述的方法，其中电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗男·博特雷尔，
申请(专利权)人：原子能与替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国;FR