使用交流电电解制备金属纳米颗粒的方法和设备技术

本文公开了使用交流电(AC)电解制备金属纳米颗粒的方法和设备，其中在制备金属纳米颗粒期间，能通过将还原剂和分散剂浓度保持在与电流强度成比例的恒定水平而显著改善所获得的金属纳米颗粒的产率。所述制备金属纳米颗粒的方法包括步骤：将电解质和分散剂溶解于反应器中的纯净水以制备电解溶液；将第一电极和第二电解彼此分离地放置在反应器的电解液中，所述电极由与待获得的金属纳米颗粒相同的材料制成；在第一电极和第二电极施加交流电以使电解液中第一电极和第二电极的金属电离；以及将还原剂引入电解液以根据产生的金属离子浓度将所述还原剂保持在恒定水平，由此还原所述金属离子以获得金属纳米颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用交流电电解制备金属纳米颗粒的方法和设备专利技术背景专利
本专利技术涉及使用交流电电解制备金属纳米颗粒的方法和设备，更特别地涉及这样的使用交流电(AC)电解制备金属纳米颗粒的方法和设备，其中，在合成金属纳米颗粒期间，能通过将还原剂和分散剂浓度保持在与电流强度成比例的恒定水平而显著改善合成的金属纳米颗粒的产率。现有技术描述通常，用于获得精细金属粉末的方法包括诸如共沉淀、喷涂、溶胶凝胶处理和反相微乳化处理的化学方法以及诸如球磨和捣磨的机械研磨方法。 例如，主要用于制备银纳米颗粒的化学方法包括下述方法由硝酸银水溶液与碱性溶液中和产生的氧化银或氢氧化银沉淀通过诸如肼、过氧化氢或福尔马林的还原剂而还原的方法；由所述中和反应产生的氢氧化银沉淀通过吹入诸如氢气或一氧化碳的强还原力气体而还原的方法；以及碱性胺络合物的水溶液通过添加诸如福尔马林或草酸的还原剂而还原由此沉淀银粉末的方法。然而，这类常用制备方法存在非环境友好的缺点，因为它们将金属盐电解质用作起始材料，需要更多成本和时间来去除有害的材料，并且其不易于控制粒径。另外，这类常用方法存在非环境友好的缺点，因为用于通过积聚金属颗粒而导致颗粒生长的表面活性剂和添加剂为有害的材料。在常用电解方法中，将诸如硝酸盐、碳酸盐或硫酸盐的金属盐用作电解质，通过电解由与颗粒相同的金属材料制成电极而获得颗粒。在电解中，电解时将有害金属盐用作电解质以获得金属粉末的原因归因于金属不溶于水。当将与强酸盐结合的金属溶解于水时，其能够易于解离为能通过还原剂而还原以产生颗粒的离子。该电解方法为非环境友好的，因为有害材料生成为副产物，并且当温度升高时产生有害气体。此外，颗粒尺寸不均匀。此外，在使用诸如硝酸盐、碳酸盐或硫酸盐的金属盐的常用电解方法中，起始材料本身为非环境友好的，在中和和洗涤过程中出现废水处置问题，需要实施许多洗涤过程，并且在洗涤过程中损失大量的金属粉末。 同时，在机械方法中，使用球磨或捣磨来研磨银的方法为广泛使用的。然而，机械研磨方法在获得精细颗粒中具有基本原理限制，并且不适于获得纯金属颗粒，因为颗粒极有可能被污染。在第10-2006-120716号韩国专利公开中披露了使用脉冲型能量制备精细金属颗粒的方法，其包括将碱金属溶解于水或有机溶剂，将至少两个金属电极彼此分离地放置在溶液中，然后向金属电极施加交流电流，其随时间推移而周期性改变大小和方向，由此诱发电离钼族金属和具有在其上形成的不由电解而电离的强氧化膜的金属，并且还原电离的金属。在所述专利公开披露的制备方法中，电离金属的还原不取决于由阴极发射的电子。相反，将具有强电离倾向的碱金属化合物(基于柠檬酸盐、抗坏血酸盐或乙酸盐的化合物)溶解于电解质，由此使碱金属以阳离子状态存在，并且金属离子通过接收来自金属阳离子的电子而还原。此外，在该制备方法中，使用未电解的溶剂，例如乙醇和苯，从而防止下述现象，SP在金属离子已被还原之后电解过程中生成的具有强氧化力的金属离子立即与氧结合从而形成金属氧化物。同时，第Hei 4-157193日本专利公开披露了不需要不同制备过程的用于制备超细金属颗粒的方法，其具有低生产成本、低生产成本，简单且高效，不涉及并入杂质并对人体没有不利影响。该方法包括将多个银电极和/或钼电极彼此相反地放置在电解质中，并且在电极间施加交流电，由此制备超细金属颗粒。此外，在第Hei 4-157193号日本专利公开披露的制备方法中，将NaCl、KC1、CaCl2、Na2SO4, CaSO4, Na2CO3或乙酸钾的水溶液用作电解质，可用作催化剂的超细钼或银颗粒由低电离倾向的金属而制备，并且制备的精细颗粒具有O. 6μπι至I. 2μπι的粒径和O. 8μπι的平均粒径。此外，根据第Hei 4-157193号日本专利公开的公开内容，交流电流的频率通常为2Hz至120Hz，并且优选为IOHz至80Hz (然而，该专利公开的实施例13披露了当为5Hz至IOOHz范围外的频率时，需要更多时间直至生成超细颗粒，并且20Hz至80Hz的频率范围是优选的)，并且当频率低于2Hz或高于120Hz时，超细金属颗粒的生产效率将会变差。因外，根据第Hei 4-157193号日本专利公开的公开内容，施加的电流值由所用电解质的电流和电压而确定，而且为O. OlA至2A。此外，根据该专利公开的公开内容，若电流值低，则超细颗粒的生产效率将变差，并且若电流值高，则当长时间施加电流时，电解质将被电加热，从而由于水的蒸发而使电解质浓度升高并且过量的电流将会流动。然而，根据第Hei 4-157193号日本专利公开的制备方法而制备的精细颗粒不能用于制造喷墨打印的金属油墨，其具有数纳米至数十纳米的尺寸。此外，在第Hei 4-157193号日本专利公开中，仅确定了是否制备超细颗粒，未公开超细颗粒的产率。此外，在第10-2006-120716号韩国专利公开和第Hei 4-157193号日本专利公开中，因为使用诸如金属盐的电解质，所以在合成颗粒之后需要诸如过滤和洗涤的额外过程，从而去除使颗粒性质变差的各种化合物和离子，并且起始材料自身为非环境友好的，由此引起废水处理问题。此外，上述专利申请均涉及电解方法而未建议当大批量生产金属纳米颗粒时能确保高产率的方法。因此，这些方法难以商业实施。同时，授权登记号为10-0820038的韩国专利披露了制备用于喷墨打印用金属油墨的铜纳米颗粒的方法，其为环境友好的，同时不使用诸如金属盐的电解质，并且为经济 的。该制备方法包括将金属离子还原剂和金属离子发生剂溶解于纯净水，并且在两个电极间施加交流电能以通过电离和还原来沉淀铜。根据授权登记号为10-0820038的韩国专利的公开内容，该制备方法提供了均匀且稳定的颗粒，在合成颗粒之后不需要诸如过滤和洗涤的额外过程，能以简单且快速的方式制备颗粒并采用安全的过程。在授权登记号为10-0820038的韩国专利中公开的上述制备方法存在的问题在于，由于使用IlOV至220V的商用交流电压(即，频率为50Hz至60Hz的正弦波电压)，所以电解效率非常低，导致生产率低，得到具有数十纳米至数百纳米尺寸的颗粒，并且不可能控制粒径。也就是说，上述授权登记的韩国专利存在的问题在于，由于使用由频率为50Hz至60Hz的正弦波电压组成的商用交流电压，所以由金属电极产生的金属离子返回至电极，因而，尽管金属离子仍被还原，但生产率大幅降低。此外，存在的问题在于，铜颗粒的平均粒径和分布不均匀，并且铜颗粒的生产率降低，这归因于由电极极性的变化而导致的结晶。此夕卜，在上述授权登记的专利中，仅确定了是否产生铜纳米颗粒，并未公开铜纳米颗粒的产率。 专利技术简述因此，鉴于在现有技术中存在的问题，得到了本专利技术，并且本专利技术的目的在于提供使用电解制备金属纳米颗粒的方法和设备，其中能显著改善金属纳米颗粒的产率。本专利技术的另一目的在于提供了使用电解制备金属纳米颗粒的方法，其中能以环境友好的方式大量生产均匀形状和尺寸的金属纳米颗粒。为了实现上述目的，根据本专利技术的一方面，提供了使用电解制备金属纳米颗粒的方法，所述方法包括步骤将电解质和分散剂溶解于反应器中的纯净水以制备电解液；将第一电极和第二电极彼此分离地放置在反应器的电解液中，所述电极由与待合成的金属纳米颗粒相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.09.18 KR 10-2009-00887381.使用电解制备金属纳米颗粒的方法，所述方法包括步骤 将电解质和分散剂溶解于反应器中的纯净水以制备电解液； 将第一电解和第二电极彼此分离地放置在所述反应器的电解液中，所述电极由与待获得的金属纳米颗粒相同的材料制成； 在所述第一电极和第二电极施加交流电以使所述电解液中的第一电极和第二电极的金属电离；以及 根据获得的金属离子浓度将还原剂引入所述电解液，由此获得金属纳米颗粒。2.如权利要求I所述的方法，其中基于I升纯净水，将引入的所述还原剂的量设定为(电流强度⑷的积分值)X2mmol/h至(电流强度⑷的积分值)X4mmol/h。3.如权利要求I所述的方法，其中所述第一电极和第二电极由选自Ag、Pt、Au、Mg、Al、Zn、Fe、Cu、Ni和Pd中的一种或它们中的两种或更多种的合金制成。4.如权利要求I所述的方法，其中基于I升纯净水，将引入的所述分散剂的量设定为(电流强度(A)的积分值)X (I. 0) X反应时间至(电流强度(A)的积分值)X (I. 5) X反应时间。5.如权利要求I所述的方法，其中所述电解液包含酸性电解质和碱性电解质的混合物并设定pH为7至9。6.如权利要求I至5中任一权利要求所述的方法，其中用于施加所述交流电的电源频率(f)为 0 < f < 10Hz。7.如权利要求6所述的方法，其中所述电源频率(f)为0.I彡f 彡5Hz。8.如权利要求I所述的方法，其中所述还原剂为选自肼(N2H...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔珉荣，韩柄善，金太均，姜允在，裴成根，文起雄，宋容卨，
申请(专利权)人：阿莫绿色技术有限公司，
类型：发明
国别省市：