一种二元纳米金属固溶体的制备方法及制备系统

本发明涉及纳米材料制备，具体涉及一种二元纳米金属固溶体的制备方法及制备系统。

背景技术：

1、纳米材料在催化、环境科学、能源、军事装备、航空航天、等领域有着重要的作用，尤其是纳米金属材料具有优良的物理化学特性，但是单一纳米金属材料会存在着一些不足。研究表明，通过纳米金属物质合成固溶体不仅能够形成特定的尺寸和形貌，而且能够明显地改变纳米金属物质在光、电、磁、催化以及机械性质等物理化学等方面的性质。固溶体中不同的原子之间会产生相互作用，形成特定的表面活性中心或电子结构。由于协同效应的存在，金属固溶体纳米材料往往具有优于其单一金属纳米材料的性质。

2、目前纳米金属固溶体材料的常用合成方法有：化学还原法、低能量聚焦束沉积法、溅射法、脉冲线蒸发法和微波辐照法等，可制备出各种结构和组成的金属固溶体材料，但目前的合成方法仍有一些不足之处。其中，化学还原法不容易把控反应速率，反应后的液体易对环境造成污染；低能量聚焦束沉积法很难制备出特定组成的双金属纳米固溶体；溅射法操作相对复杂，生产效率低，不适合大规模生产；脉冲线蒸发法需要的反应环境条件苛刻，设备昂贵；微波辐照法制备程序复杂。

3、由于目前常用的合成纳米金属固溶体材料的方法普遍存在合成工艺复杂和生产条件苛刻等问题，导致难以实现工业化生产，因此亟需开发一种合成工艺简单、生产效率高以及能够实现工业化生产的金属固溶体合成方法。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种二元纳米金属固溶体的制备方法，制备工艺简单且生产效率高，能够实现工业化生产，解决了现有纳米金属固溶体材料的制备方法因制备过程复杂、生产效率低和生产条件苛刻而导致制备成本高和难以实现工业化生产的问题。

2、本发明的另一目的在于提出一种二元纳米金属固溶体的制备系统，应用于上述的二元纳米金属固溶体的制备方法，能够制备得到二元纳米金属固溶体，且在制备过程中能够减少二元纳米金属固溶体的转移，操作方便简单，且减少了过滤和干燥等后序处理工序。

3、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

4、一种二元纳米金属固溶体的制备方法，包括以下步骤：

5、(1)将两个金属电极靶材分别安装于火花烧蚀装置的内部；两个所述金属电极靶材的材料为两种不同的纯金属材料，或者两个所述金属电极靶材的材料为相同的二元合金材料；

6、(2)向火花烧蚀装置中通入温度为-100～20℃的载气，待排尽火花烧蚀装置中的空气后，启动火花烧蚀装置，两个金属电极靶材分别局部气化，形成两种不同的等离子体，在载气的作用下，两种等离子体被冷却和重组，进行无序排列，形成初始固溶体颗粒；初始固溶体颗粒在载气的作用下发生碰撞和团聚，形成二元纳米金属固溶体。

7、优选地，步骤(2)中，所述火花烧蚀装置的电压为0.1～10kv，脉冲电流为1～40ma。

8、优选地，步骤(2)中，向所述火花烧蚀装置中通入的所述载气的流速为0.1～50l/min。

9、优选地，步骤(1)中，两个所述金属电极靶材相对设置，且两个所述金属电极靶材的间距为0.1～3.5mm。

10、优选地，所述载气为氮气、氩气和氦气中的任意一种或多种的组合。

11、优选地，当两个所述金属电极靶材的材料为两种不同的纯金属材料时，所述纯金属材料包括金、钯、铂、银、铜、铁、铝、锌、锡、镍和铱中的任意一种。

12、优选地，当两个所述金属电极靶材的材料为相同的二元合金材料时，所述二元合金材料包括金银合金、银铜合金、铜镍合金、锡铁合金、铂铁合金、铝锌合金、金铂合金、金铝合金、铜铁合金和铜铱合金中的任意一种。

13、一种二元纳米金属固溶体的制备系统，应用于上述的二元纳米金属固溶体的制备方法，包括依次连通的气源装置、进气管路、火花烧蚀装置、出气管路和收集装置，所述气源装置和所述火花烧蚀装置通过所述进气管路连通，所述火花烧蚀装置通过所述出气管路和所述收集装置连通，所述进气管路上设有气流控制阀；

14、两个所述金属电极靶材分别对称地安装于所述火花烧蚀装置的内部，且两个所述金属电极靶材分别与外部的电源电连接；

15、所述气源装置用于储存载气，所述气流控制阀用于控制从气源装置进入所述火花烧蚀装置的载气的流量，所述收集装置用于收集火花烧蚀装置生产的二元纳米金属固溶体。

16、优选地，两个所述金属电极靶材的轴线相互重合，所述载气的进气方向垂直于两个所述金属电极靶材的轴线；

17、两个所述金属电极靶材之间留有间隙，所述载气的进气气流穿过所述间隙。

18、优选地，所述火花烧蚀装置的内部设有安装卡盘，所述金属电极靶材安装于所述安装卡盘；所述火花烧蚀装置的外部设有调节螺杆，所述调节螺杆和所述安装卡盘连接，所述调节螺杆用于调节所述安装卡盘的安装位置，进而调节两个所述金属电极靶材的间距；

19、所述收集装置包括喷嘴、承接基底和排气孔，所述喷嘴和所述承接基底分别位于所述收集装置的内部，且所述喷嘴的输出口朝向所述承接基底，所述喷嘴和所述出气管路连通，所述排气孔开设于所述收集装置的底部。

20、本申请实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

21、1、本技术方案的二元纳米金属固溶体的制备方法通过将两个金属电极靶材安装于火花烧蚀装置的内部，并向火花烧蚀装置中通入温度为-100～20℃的低温载气，启动火花烧蚀装置的电源，使两个金属电极靶材端面间形成电流通道，产生高温电火花；金属电极靶材局部气化形成等离子体，低温的载气的通入使得等离子体快速冷却和重组，进行无序排列；由于快速冷却，不同种原子冷却速率不一，同种原子没有足够的时间重新排列为规整的晶体结构，给予了不同种原子的重新排列机会，从而形成初始固溶体颗粒，对初始固溶体颗粒进行收集后，得到二元纳米金属固溶体材料。本技术方案的制备方法具有普遍的适用性，制备的二元纳米金属固溶体种类范围广，其制备工艺简单且生产效率高，能够实现工业化生产，解决了现有纳米金属固溶体材料的制备方法因制备过程复杂、生产效率低和生产条件苛刻而导致制备成本高和难以实现工业化生产的问题。

22、2、二元纳米金属固溶体在低温气流(即载气)的影响下离开金属电极靶材的反应端面，避免部分生成的纳米金属固溶体材料长时间停留在烧蚀反应区域内持续反应，利于制备大小均匀的二元纳米金属固溶体材料。

23、3、本技术方案产出的二元纳米金属固溶体跟随低温气流进入到收集装置内并沉积在收集装置内的承接基底，通过流动的低温气体(即载气)将制备二元纳米金属固溶体的火花烧蚀装置和收集装置结合成连续的制备系统，减少纳米金属固溶体材料的转移，操作方便，且减少过滤干燥等后序处理。

技术特征：

1.一种二元纳米金属固溶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的二元纳米金属固溶体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述火花烧蚀装置的电压为0.1～10kv，脉冲电流为1～40ma。

3.根据权利要求1所述的二元纳米金属固溶体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，向所述火花烧蚀装置中通入的所述载气的流速为0.1～50l/min。

4.根据权利要求1所述的二元纳米金属固溶体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，两个所述金属电极靶材相对设置，且两个所述金属电极靶材的间距为0.1～3.5mm。

5.根据权利要求1所述的二元纳米金属固溶体的制备方法，其特征在于，所述载气为氮气、氩气和氦气中的任意一种或多种的组合。

6.根据权利要求1所述的二元纳米金属固溶体的制备方法，其特征在于，当两个所述金属电极靶材的材料为两种不同的纯金属材料时，所述纯金属材料包括金、钯、铂、银、铜、铁、铝、锌、锡、镍和铱中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的二元纳米金属固溶体的制备方法，其特征在于，当两个所述金属电极靶材的材料为相同的二元合金材料时，所述二元合金材料包括金银合金、银铜合金、铜镍合金、锡铁合金、铂铁合金、铝锌合金、金铂合金、金铝合金、铜铁合金和铜铱合金中的任意一种。

8.一种二元纳米金属固溶体的制备系统，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的二元纳米金属固溶体的制备方法，包括依次连通的气源装置、进气管路、火花烧蚀装置、出气管路和收集装置，所述气源装置和所述火花烧蚀装置通过所述进气管路连通，所述火花烧蚀装置通过所述出气管路和所述收集装置连通，所述进气管路上设有气流控制阀；

9.根据权利要求8所述的二元纳米金属固溶体的制备系统，其特征在于，两个所述金属电极靶材的轴线相互重合，所述载气的进气方向垂直于两个所述金属电极靶材的轴线；

10.根据权利要求8所述的二元纳米金属固溶体的制备系统，其特征在于，所述火花烧蚀装置的内部设有安装卡盘，所述金属电极靶材安装于所述安装卡盘；所述火花烧蚀装置的外部设有调节螺杆，所述调节螺杆和所述安装卡盘连接，所述调节螺杆用于调节所述安装卡盘的安装位置，进而调节两个所述金属电极靶材的间距；

技术总结
本发明公开了一种二元纳米金属固溶体的制备方法及制备系统，涉及纳米材料制备技术领域。二元纳米金属固溶体的制备方法包括以下步骤：将两个金属电极靶材分别安装于火花烧蚀装置的内部；向火花烧蚀装置中通入温度为‑100～20℃的载气，排尽空气后启动火花烧蚀装置，金属电极靶材气化形成等离子体，在载气的作用下两种等离子体冷却和重组，进行无序排列，形成初始固溶体颗粒；初始固溶体颗粒在载气的作用下碰撞和团聚，形成二元纳米金属固溶体。本发明二元纳米金属固溶体的制备方法，工艺简单且生产效率高，能够实现工业化生产，解决了现有纳米金属固溶体的制备方法因制备过程复杂、生产效率低和生产条件苛刻而导致制备成本高和难以实现工业化生产的问题。

技术研发人员：张昱,方杨宾,张上进,黄俊,陈乾,崔成强,杨冠南,黄光汉
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/13