專利名稱：一種分形結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分形結(jié)構(gòu)金屬材料，具體地說是一種分形結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法。
近幾十年來，介孔材料取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)、化學(xué)催化等眾多領(lǐng)域。而在電化學(xué)和催化領(lǐng)域當(dāng)中，一個(gè)關(guān)鍵的問題就是如何有效合理地提高反應(yīng)界面的問題。常規(guī)的介孔材料通常是以提高自身的空隙率的途徑來滿足這種需求的，即在一定的體積內(nèi)增加孔洞數(shù)目和減小孔洞直徑的方法。由于受材料本身尺寸大小的影響，其比表面一般只能維持在ΔS≈10～40cm2/cm3的范圍，可見所受的限制較大。
眾所周知，分形結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)。如三維樹狀分形具有很好的連通性，而且隨著分形級數(shù)的增加，其比表面積趨于無窮大，即便是在分形級數(shù)有限的情況下，它也具有較大的比表面積。然而，目前利用分形結(jié)構(gòu)金屬材料提高比表面積的方法未見報(bào)道。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好的連通性和較大的比表面積的分形結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是制備方法按如下步驟操作(1)將基底材料進(jìn)行敏化、活化鍍前預(yù)處理；(2)將上述預(yù)處理后的基底材料在化學(xué)鍍液中進(jìn)行化學(xué)沉積，得金屬沉積層；(3)采用電沉積方法，將所述基底材料在電鍍鍍液里加厚；
其特征在于所述基底材料為天然分形材料；在所述步驟(3)后加步驟(4)，將所述基底材料經(jīng)燒蝕、酸浸、還原及熱處理，鍍后處理得純凈的中空分形結(jié)構(gòu)金屬材料；其中燒結(jié)溫度為400～600℃，時(shí)間為5～30分鐘；其中選用的天然分形基底材料為海藻、草本植物、樹枝。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1.具有良好的連通性和較大的比表面積。由于本發(fā)明是采用天然分形材料作為基底，利用化學(xué)沉積和電沉積的方法來制備分形結(jié)構(gòu)金屬材料，其產(chǎn)品為中空、分枝狀，在涉及流的傳輸上(特別是熱流)具有良好的連通性；另外從理論上證明，其比表面積至少在ΔS≈40～80cm2/cm3的范圍，即是常規(guī)介孔材料比表面積的二倍以上。它可以提高化學(xué)反應(yīng)的有效接觸面積，從而增加反應(yīng)效率。
2.本發(fā)明操作簡單，效率高，成本低，便于推廣應(yīng)用。
附

圖1為電沉積裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為實(shí)施例1制備出的具有大石花菜海藻狀分形結(jié)構(gòu)的金屬鎳材料形貌。
附圖3為實(shí)施例3制備出的具有叉枝藻狀分形結(jié)構(gòu)的金屬銅材料形貌。
下面通過實(shí)施例詳述本發(fā)明。
實(shí)施例1按如下步驟操作(1)將基底材料進(jìn)行敏化、活化鍍前預(yù)處理選擇具有天然分形結(jié)構(gòu)的大石花菜為基底材料，大石花菜是紅藻門石花菜屬海藻的一種，經(jīng)計(jì)算其分維數(shù)值為1.69左右；所用預(yù)處理方法包括敏化和活化敏化實(shí)驗(yàn)條件為氯化亞錫(SnCl2·2H2O)，20g/l；鹽酸(HCl)，40ml/l；錫粒3～4粒；溫度，20～25℃；時(shí)間，3～5min?；罨瘜?shí)驗(yàn)條件是氯化鈀(PdCl2)，0.3g/l；鹽酸(HCl)，5ml/l；溫度，20～25℃；時(shí)間，5～10min；(2)將上述經(jīng)鍍前預(yù)處理之后的基底材料在化學(xué)鍍液中，用化學(xué)沉積的方法在海藻基底上沉積得到一層金屬鎳，所用化學(xué)沉積鎳的實(shí)驗(yàn)條件為氯化鎳(NiCl2·5H2)，30g/l；次亞磷酸鈉(NaH2PO2·H2O)，10g/l；氯化銨(NH4Cl)，50g/l；檸檬酸鈉(Na3C6H5O7·2H2O)，100g/l；pH，8～9；溫度，80℃左右；時(shí)間，1小時(shí)左右；(3)再將所述基底材料用電沉積方法，在電鍍鍍液中使基底表面的金屬鎳層加厚約30μm；所用電沉積鎳的實(shí)驗(yàn)條件為硫酸鎳(NiSO4·7H2O)，250～300g/l；氯化鎳(NiCl2·6H2O)，30～60g/l；硼酸(H3BO3)，35～40g/l；pH，3～4；溫度，45～60℃；電流密度，1～2.5A/dm2；時(shí)間，2小時(shí)左右；(4)最后對上述基底材料進(jìn)行燒蝕、酸浸、還原和熱處理等的鍍后處理得到較為純凈的中空的分形結(jié)構(gòu)金屬鎳；用通氫還原、化學(xué)還原的方法來還原被氧化的金屬材料，并進(jìn)行熱處理來增強(qiáng)金屬材料的朔性等，熱處理的條件是700～800℃的溫度環(huán)境下處理30分鐘左右；常規(guī)接介孔材料，如泡沫金屬的基底去除采用的是將電沉積后的材料加熱到100～200℃，使基底泡沫塑料自然熱解進(jìn)行的；與它們不同，本實(shí)驗(yàn)采用燒蝕和酸浸相結(jié)合的方法來去除海藻基底，即將電沉積后的材料在400～600℃的溫度環(huán)境下燒結(jié)約5～30分鐘，然后再用稀酸(如稀硫酸)浸泡10分鐘左右的時(shí)間便可去除金屬中的海藻基底；如圖1所示，為本實(shí)施例所用的電沉積裝置示意圖。其中1為直流穩(wěn)壓電源，2為陽極，本實(shí)施例為陽極鎳板，3為陰極樣品，4為鍍槽，R為變阻器，A為電流表。其中陽極鎳板做成桶狀以增強(qiáng)陰極極化能力，從而提高鍍層的均勻性；渡槽中鍍液的組分如步驟(3)所述；如圖2所示為采用該方法制備出的中空的海藻狀分形結(jié)構(gòu)金屬鎳實(shí)物。
經(jīng)計(jì)算，該分形結(jié)構(gòu)金屬材料的分維數(shù)值為1.60左右。該數(shù)值較天然海藻的分維數(shù)值略有降低，這是由于實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中的不當(dāng)操作致使材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)遭到人為破壞引起的，屬于正?，F(xiàn)象。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于(1)將基底材料進(jìn)行敏化、活化鍍前預(yù)處理選擇具有天然分形結(jié)構(gòu)的叉枝藻為基底材料，叉枝藻是紅藻門叉枝藻屬海藻的一種，經(jīng)計(jì)算其分維數(shù)值為1.59左右；(2)將上述經(jīng)預(yù)處理之后的基底材料在化學(xué)鍍液中，用化學(xué)沉積的方法在海藻基底上沉積得到一層金屬鎳；(3)之后再用電沉積方法，使其底表面的金屬鎳層加厚到30μm；(4)最后進(jìn)行燒蝕、酸浸、還原和熱處理等的鍍后處理得到較為純凈的中空的分形結(jié)構(gòu)金屬鎳；即將電沉積后的材料在400～600℃的溫度環(huán)境下燒結(jié)約5～30分鐘，然后再用稀酸(如稀硫酸)浸泡10分鐘左右的時(shí)間便可去除金屬中的海藻基底；
所用化學(xué)沉積和電沉積實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例1。
實(shí)施例3(1)將基底材料進(jìn)行敏化、活化鍍前預(yù)處理選擇具有天然分形結(jié)構(gòu)的叉枝藻為基底材料，叉枝藻是紅藻門叉枝藻屬海藻的一種，經(jīng)計(jì)算其分維數(shù)值為1.59左右；所用預(yù)處理方法包括敏化和活化。敏化實(shí)驗(yàn)條件為氯化亞錫(SnCl2·2H2O)，20g/l；鹽酸(HCl)，40ml/l；錫粒3粒；溫度，20～25℃；時(shí)間，3～5min?；罨瘜?shí)驗(yàn)條件是硝酸銀(AgNO3)，4g/l；氨水(NH3·H2O)，8ml/l；溫度，室溫；時(shí)間，5～10min；(2)進(jìn)行預(yù)處理之后，實(shí)驗(yàn)利用化學(xué)沉積的方法在所述海藻基底上沉積得到一層金屬銅；所用化學(xué)沉積銅的實(shí)驗(yàn)條件為次亞硫酸銅(CuSO4·5H2O)，10g/l；酒石酸鉀鈉(KNaC4H4O6·4H2O)，40g/l；氫氧化鈉(NaOH)，10g/l；HCHO(37％)，10～20ml/l；pH，11；溫度，室溫；時(shí)間，1小時(shí)左右；(3)之后再用電沉積方法，使所述基底表面的金屬銅層加厚到100μm；所用電沉積銅的實(shí)驗(yàn)條件為硫酸銅(CuSO4·5H2O)，100g/l；硫酸(H2SO4)，200g/l；二硫二丙烷磺酸鈉(C5H12S4O6Na2)，0.02g/l；四氫噻唑硫酮(C3H5S2N)，0.001g/l；氯離子，0.04g/l；溫度，15～20℃；電流密度，1～2A/dm2；攪拌，空氣攪拌；時(shí)間，30分鐘左右；(4)最后進(jìn)行燒蝕、酸浸、還原和熱處理等的鍍后處理得到較為純凈的中空的分形結(jié)構(gòu)金屬銅；即將電沉積后的材料在400～600℃的溫度環(huán)境下燒結(jié)約5～30分鐘，然后再用稀酸(如稀硫酸)浸泡10分鐘左右的時(shí)間便可去除金屬中的海藻基底；用通氫還原等化學(xué)還原的方法來還原被氧化的金屬材料，并進(jìn)行熱處理來增強(qiáng)金屬材料的朔性。熱處理的條件是400～600℃的溫度環(huán)境下處理30分鐘左右。
所用的如圖1所示電沉積裝置中，銅板3取代了鎳板3作為陽極，其陽極銅板做成桶狀以增強(qiáng)陰極極化能力，從而提高鍍層的均勻性；渡槽中鍍液的組分如步驟(3)所述。
如圖3所示，為中空的海藻狀分形結(jié)構(gòu)金屬銅產(chǎn)品實(shí)物。
經(jīng)計(jì)算，該分形結(jié)構(gòu)金屬材料的分維數(shù)值為1.55左右。該數(shù)值較天然海藻的分維數(shù)值略有降低，這是由于實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中的不當(dāng)操作致使材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)遭到人為破壞引起的，屬于正?，F(xiàn)象。
以上實(shí)施例說明這種方法對于其它海藻和金屬同樣適用；本發(fā)明所述基底材料亦可為草本植物、樹枝；所述化學(xué)鍍液中金屬成份可以根據(jù)需要配比而成。
權(quán)利要求
1.一種分形結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，按如下步驟操作(1)將基底材料進(jìn)行敏化、活化鍍前預(yù)處理；(2)將上述預(yù)處理后的基底材料在化學(xué)鍍液中進(jìn)行化學(xué)沉積，得金屬沉積層；(3)采用電沉積方法，將所述基底材料在電鍍鍍液里加厚；其特征在于所述基底材料為天然分形材料；在所述步驟(3)后加步驟(4)，將所述基底材料經(jīng)燒蝕、酸浸、還原及熱處理，鍍后處理得純凈的中空分形結(jié)構(gòu)金屬材料；其中燒結(jié)溫度為400～600℃，時(shí)間為5～30分鐘。
2.按照權(quán)利要求1所述分形結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法，其特征在于其中選用的天然分形基底材料為海藻、草本植物、樹枝。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分形結(jié)構(gòu)金屬材料的制備方法。操作步驟:(1)將基底材料進(jìn)行敏化、活化鍍前預(yù)處理;(2)將上述預(yù)處理后的基底材料在化學(xué)鍍液中進(jìn)行化學(xué)沉積,得金屬沉積層;(3)采用電沉積方法,將所述基底材料在電鍍鍍液里加厚;特征為:所述基底材料為天然分形材料;在所述步驟(3)后加步驟(4),將所述基底材料經(jīng)燒蝕、酸浸、還原及熱處理成形,鍍后處理得純凈的中空分形結(jié)構(gòu)金屬材料。本發(fā)明具有良好的連通性和較大的比表面積。
文檔編號C23C28/02GK1372016SQ01106178
公開日2002年10月2日 申請日期2001年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月21日
發(fā)明者王瑞春, 郭敬東, 周本濂 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所