电沉积法合成二氧化锰-金纳米复合材料及其分析应用

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Electrochimica Acta 55(2010)3471–3476

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Electrochimica

Acta

j o u r n a l h o m e p a g e :w w w.e l s e v i e r.c o m /l o c a t e /e l e c t a c t

a

Electrodeposited MnO 2/Au composite ?lm with improved electrocatalytic activity for oxidation of glucose and hydrogen peroxide

Yu Jun Yang a ,b ,c ,Shengshui Hu a ,b ,?

a

School of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,China

b

School of Chemistry and Chemical Engineering,Xuchang University,Xuchang 461000,China c

State Key Laboratory of Transducer Technology,Chinese Academy of Sciences,China

a r t i c l e i n f o Article history:

Received 7December 2009

Received in revised form 26January 2010Accepted 27January 2010

Available online 2February 2010Keywords:

Electrocatalysis Composite

Enzyme-free sensor Electrodeposition Glucose

a b s t r a c t

The major drawback of currently used MnO 2?lm sensor is the loss of electrical conductivity due to the formation of a poorly conductive MnO 2layer.To overcome this problem,a coating in which the Au is alloyed with MnO 2has been developed.The fabrication of the codeposited ?lm electrode of Au and MnO 2by using a cyclic voltammetric (CV)method was described,and systematic physical and electrochemical characterization was performed.This MnO 2/Au ?lm electrode enhanced MnO 2electrocatalytic activity.The oxidation process of glucose at the codeposited MnO 2/Au shows a well-de?ned peak at 0.27V in alkaline aqueous solution.In contrast,the glucose oxidation at Au modi?ed glassy carbon electrode (GCE)just shows a shoulder wave at 0.42V.The experimental results indicate that the modi?cation of MnO 2on the surface of GCE signi?cantly improved the electrocatalytic activity towards the oxidation of glucose.Further study shows that the MnO 2/Au could also effectively catalyze the oxidation of hydrogen peroxide in pH 7.0phosphate buffer solution (PBS).

?2010Elsevier Ltd.All rights reserved.

1.Introduction

The electrocatalytic oxidation of glucose has been a focal sub-ject of many investigations,because of the great importance of glucose sensing in human blood and their potential use for fuel cell applications [1–5].Glucose oxidase as enzymatic catalyst has been widely used for glucose biosensor fabrication [6–11].Good selectivity and high sensitivity have been achieved for glucose detection by enzymatic glucose sensors.However,owing to the nature of enzymes,the most common and serious problem with enzymatic glucose sensors lies in their lack of long-term stability.For instance,the activity of GODx can be easily affected by tem-perature,pH value,humidity,and toxic chemicals [12–14].Direct electrocatalytic oxidation of glucose at an enzyme-free electrode would exhibit conveniences and advantages to avoid the draw-backs of the enzyme electrode.Early researches have focused on the use of noble metal-based (containing Pt [15–17]and Au [18]),and alloys-based (containing Pt,Ru,Pb,Au,and Cu [19–25])elec-trodes for developing enzyme-free sensors.Various attempts have been made during recent years and modi?ed electrodes made from carbon nanotubes [26],CuO nanowire [27],CuO nanospheres [28]

?Corresponding author at:College of Chemistry &Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,China.

E-mail addresses:sshu@https://www.360docs.net/doc/e717373763.html, ,cghu@https://www.360docs.net/doc/e717373763.html, ,yangyujun418@https://www.360docs.net/doc/e717373763.html, (S.Hu).

and metallophthalocyanines [29–32]were widely used.It was also reported that MnO 2with various crystalline structures are promis-ing electrode materials for electrocatalytical oxidation of glucose [33,34].

Hydrogen peroxide is an intermediate or a product in biochem-ical reactions catalyzed by oxidase.Thus,the monitoring of H 2O 2with a reliable,rapid and economic method is of great signi?cance [35].The catalytic effect of MnO 2towards the oxidation of H 2O 2was also reported [36–38].

In this article,a new type of catalyst,MnO 2/Au,with enhanced sensing properties of glucose and hydrogen peroxide by taking advantages of MnO 2[33,34]and Au [18],was prepared by a CV deposition process.This MnO 2/Au ?lm exhibited excellent electro-catalytic activity.It is highly tolerant to chloride ions and generates more stable,reproducible and larger current responses compared with other enzyme-free electrodes.Additionally,electro-oxidation of glucose on such MnO 2/Au surfaces took place at remarkably more negative potentials and,thus,interference could be effec-tively avoided by detecting glucose at a low potential.

2.Experimental

All chemical reagents used in this experiment were of analytical grade.All solutions were prepared with doubly distilled water.Thin ?lm of MnO 2/Au ?lm was codeposited on GCE by cycling in 2mM HAuCl 4,10mM KMnO 4and 0.04M H 2SO 4aqueous solution from

0013-4686/$–see front matter ?2010Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/j.electacta.2010.01.095

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Fig.1.Scanning electron micrographs of gold (a),MnO 2(b)and MnO 2/Au (c)electrodeposited on GCE.

0.3V to ?0.5V at the scan rate of 2mV s ?1for 2cycles.Au modi?ed GCE (Au/GCE)was prepared by CV in 2mM HAuCl 4,0.04M H 2SO 4solution (from 0.3V to ?0.5V at the scan rate of 2mV s ?1)for 2cycles.MnO 2modi?ed GCE (MnO 2/GCE)was prepared by CV in 6mM KMnO 4,0.04M H 2SO 4solution (from 0.3V to ?0.5V at the scan rate of 2mV s ?1)for 2cycles.

A three-electrode electrolytic cell was employed for electrode-position and electrochemical tests.A GCE (5mm diameter)was used as the cathode.A platinum wire was used as an anode.The sat-urated calomel electrode (SCE)was used as a reference electrode.Morphology study of the ?lms on the GCE surface was carried out with a Quanta 200scanning electron microscope (SEM;FEI Com-pany,Holland).The electrochemical tests were carried out with a CHI 830potentiostat (Chen Hua Company,China).

3.Results and discussion

Fig.1shows the SEM micrographs of the Au,MnO 2and MnO 2/Au thin ?lms electrodeposited on GCE.The pure Au sample (Fig.1a)consists of nanoparticles with the average diameter of about 200nm.The pure MnO 2sample (Fig.1b)shows a surface morphol-ogy resembling that of the GC substrate,indicating the presence of a continuous MnO 2?lm on top of the substrate rather than iso-lated particles.Fig.1c corresponding to the codeposited MnO 2/Au catalyst indicates the presence of MnO 2/Au microspheres with the diameter ranging between 200nm and 1.2?m.

The deposition mechanism can be attributed to the diffusion and cathodic reduction of anionic MnO 4?species.The reduction

of MnO 4?species and precipitation of manganese dioxide are in agreement with the Pourbaix diagram for Mn [39].However,only limited information is available in literature related to the com-plex chemistry of the reduction of MnO 4?.The kinetic pathway of reducing Mn 7+to Mn 4+depends on electrode potential,pH,concen-tration of MnO 4?and other species in the solutions [40].In acidic aqueous solutions the following reaction can result in the

reduction

Fig.2.XRD pattern of the MnO 2?lm electrodeposited on GCE.

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Fig.3.The CV behaviors of the MnO2/Au modi?ed GCE in the absence(a)and pres-ence(b)of10mM glucose in0.10M NaOH solution at100mV s?1,scan range:?0.5V to0.7V,initial potential:?0.5V.

of MnO4?species:

MnO4?+4H++3e?→MnO2+2H2O(1) Fig.2shows a typical XRD pattern of the as-synthesized pure MnO2 sample.All the re?ection peaks can be readily indexed to pure body-centered tetragonal?-MnO2phase,with lattice constants of a=9.816?,c=2.857?;which are in agreement with the standard values(JCPDS44-0141,a=9.784?,c=2.863?).No other phase was detected in the?nal products.

The electrocatalytic performance of the MnO2/Au towards the oxidation of glucose was investigated by CV.Fig.3shows the CV behaviors of the MnO2/Au in the absence(a)and presence(b)of 10mM glucose in0.10M NaOH solution.CV of the MnO2/Au mod-i?ed GCE in0.1M NaOH aqueous solution showed two pairs of redox peaks(curve a).The thin MnO2electrodeposited on gold has been studied[41,42]using X-ray photoelectron

spectroscopy Fig.4.The CV behaviors of the bare GCE(curve a),MnO2modi?ed GCE(curve b), gold modi?ed GCE(curve c)and MnO2/Au modi?ed GCE(curve d)in10mM glucose, 0.1M NaOH solution at100mV s?1,scan range:?0.5V to0.7V,initial potential:?0.5V.

(XPS),Raman spectroscopy(RS)and electrochemically modulated infrared spectroscopy(EMIRS).Their experimental results indicate that,in borate solutions at pH9.2,during the MnO2reduction, MnO2is reduced to Mn(III)OOH while in the reversal positive scan, Mn(III)OOH was oxidized to MnO2:

MnO2+H2O+e=MnOOH+OH?(2) MnOOH+OH??e=MnO2+H2O(3) Without the addition of glucose,there is a pair of redox peaks for the MnO2/Au modi?ed electrode in alkaline solution(Fig.3a).In the negative scan,MnO2was reduced to MnOOH,which was subse-quently oxidized to MnO2in reversal scan.Two anodic peaks(peak I a and II a)can be assigned to the oxidation of MnOOH to Mn(IV),and gold to gold oxide,respectively.Two cathodic peaks(peaks I c and II c)can be taken to represent the generation of MnOOH from

Mn(IV)

Fig.5.(a)CVs of MnO2/Au modi?ed GCE in0.10M NaOH solution containing0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9and1.0mM glucose at100mV s?1;(b)CVs of MnO2/Au modi?ed GCE in0.10M NaOH solution containing1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0,8.0,9.0and10.0mM glucose at100mV s?1;(c)the plot of the oxidation peak current with the concentration of glucose.

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Fig.6.CVs of MnO 2/Au modi?ed GCEs in 0.10M NaOH,0.10M KCl solution containing 6.0mM glucose at 100mV s ?1.The MnO 2/Au modi?ed GCEs were prepared in 5mL deposition bath containing 2mM HAuCl 4,10mM KMnO 4and 0.04M H 2SO 4,scan range:0.3V to ?0.5V,initial potential:0.3V,(a)at scan rate of 1,2,and 4mV s ?1for 1,2,and 4cycles,respectively and (b)at 2mV s ?1for 1,2,and 3cycles.

[43],and gold oxide to gold,respectively [18].In the presence of glucose,two strong anodic peaks (peak III a and IV a )were observed at 0.271V and 0.076V (curve b)during the anodic scan and the reverse cathodic scan,respectively while the peak current of peak II a increased signi?cantly with the addition of glucose.The peak III a at 0.271V presents the oxidation process of glucose.Above a poten-tial of +0.3V,the decrease of current occurs due to the formation of gold oxide,which competes for surface adsorption sites with glu-cose,also inhibiting the direct electro-oxidation of glucose.In the reverse cathodic scan,with the reduction of the surface gold oxide,enough surface active sites are available for the direct oxidation of glucose,resulting in large peak at around 0.076V.

The electrocatalytic performance of the bare GCE,Au/GCE,MnO 2/GCE and MnO 2/Au modi?ed GCE (MnO 2/Au/GCE)towards the oxidation of glucose was investigated by CV.Fig.4illus-trates the CV behaviors of the bare GCE,MnO 2/GCE,Au/GCE,and MnO 2/Au/GCE in 0.10M NaOH solution containing 10mM glucose.No current response is observed at the bare GCE (cure a).Because of the loss of electrical conductivity due to the formation of a poorly conductive MnO 2layer,it is not a surprise to ?nd out that no peak occurs on MnO 2/GCE (curve b).A barely observable anodic peak is obtained at 0.42V during the anodic scan at the Au/GCE (curve c).In the case of the MnO 2/Au/GCE,three strong anodic peaks are observed at 0.271V,0.076V and 0.45V (curve d).Like MnO 2/Au/GCE electrode,there is an anodic peak at ~0.2V during the cathodic scan for Au/GCE electrode too (curve c).The anodic peak at 0.16V for Au/GCE electrode is also due to the oxidation of glucose [44].

The CVs of the MnO 2/Au electrode in different concentrations of glucose were also measured.Fig.5a and b shows the standard addi-tions of 100?M and 1mM of glucose,respectively,and after each addition the voltammetric response was recorded.These results clearly indicate that,as the concentration of glucose increased,the peak currents of three anodic peaks at 0.271V,0.076V and 0.45V also increased.The variation of the peak current at 0.271V vs .glu-cose concentration is linear in the glucose concentration range of 100?M to 20mM with a sensitivity and correlation coef?cient of 18.9?A mM ?1and 0.9988,respectively.This linear concentration range of 0.1–20mM is of advantage as the likely glucose level in normal and diabetic person usually varies from 0.2to 20mM [45].The anodic peak at 0.076V is assigned to the oxidation of glucose.Thus,it is not surprising to ?nd out that the peak current at 0.076V is also linear with the glucose concentration.The fabrication repro-ducibility of six biosensors,prepared under the same conditions,showed an acceptable reproducibility with a R.S.D.of 3.2%for the peak current obtained in the glucose concentration of 1.0mM.The results indicate that the MnO 2/Au electrode has a good operational stability.The activity of the electrode retained almost its initial

current response after it was stored at room temperature for 30days,indicating the excellent stability of the sensor.These results demonstrate that the MnO 2/Au electrode is very ef?cient for the determination of glucose.

As shown in Fig.4,MnO 2in the MnO 2/Au plays a crucial role for the oxidation of glucose.The catalytic effect of MnO 2towards the oxidation of glucose is probably due to a parallel catalytic reaction.As soon as MnO 2is reduced to lower valence states by glucose,it is electro-oxidized back to MnO 2at the electrode surface.The catalytic mechanism of gold towards the oxidation of glucose in alkaline solution may be described as following [18]:Au +OH ?=AuOH +e

(4)

AuOH +CHO(CHOH)4CH 2OH OH ?

?→COOH(CHOH)4CH 2OH

+Au +H 2O +e

(5)

Therefore,MnO 2and gold act not only as the electron mediate but as catalyst as well [33].Studies on the SEM of MnO 2/Au/GCE (Fig.1c)and Au (Fig.1b)further con?rm our assumption that the improve-ment in catalytic activity is attributed to catalytic effects of MnO 2and gold rather than any physical effects (such as increase in surface area).

The effects of scan rate and number of scan cycles during the CV deposition process on the catalytic oxidation of glucose were also investigated.As shown in Fig.6a,the oxidation peak shifted positively as the scan rate is increased from 1to 2and 4mV s ?

1

Fig.7.(a)CVs of MnO 2/Au modi?ed GCE in 0.10M NaOH,0.10M KCl solution con-taining 6.0mM glucose at 100mV s ?1and (b)CVs of MnO 2/Au modi?ed GCE in 0.10M NaOH solution containing 6.0mM glucose at 100mV s ?1.

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Fig.8.(a)CVs of H2O2on MnO2/Au/GCE in PBS(pH7.0)in the absence(curve a)and presence of10mM H2O2(curve b).Scan rate:100mV s?1;(b)dynamic current responses of MnO2/Au/GCE to successive addition of H2O2at pH7.0.Inject20?L5×10?2M H2O2solution into10mL PBS(pH7.0)with a microsyringe.The concentration change of H2O2is10?M per addition.Applied potential:0.70V;(c)calibration curve of H2O2amperometric biosensor based on MnO2/Au/GCE in PBS buffer(pH7.0).Applied potential 0.70V.

while the highest peak current is obtained at2mV s?1.At2mV s?1, the oxidation current is increased signi?cantly with increasing the number of scan cycles from2to3cycles(Fig.6b).However the obtained?lm will be too thick and easy to crack when the GCE was scanned for3cycles in the plating bath.Thus,the number of scan adopted in this experiment is2cycles.

To evaluate the selectivity of the proposed biosensor,three pos-sible interfering biomolecules,ascorbic acid(AA),dopamine(DA), and uric acid(UA),which normally coexist with glucose in real samples(human blood)were examined[46].Considering that the concentration of glucose in the human blood is about30times of AA, DA or UA,the voltammetric response of the MnO2/Au towards the addition of1mM glucose and0.1mM AA,DA,and UA was examined in0.10M NaOH solution and the i glucose+interferent/i glucose is103%, 99%and98%,respectively.To sum up,the selectivity was improved so much on this enzyme-free biosensor that the three common interfering biomolecules,AA,DA,and UA caused negligible inter-ference to the response of glucose at the MnO2/Au electrode.

Electrodes based on metals[15,17]or alloys[18,24]towards the oxidation of glucose usually lose their activity due to the poisoning of chloride ions[19].In order to understand whether chloride ions will poison the MnO2/Au electrode,the CV was measured in the solution with high concentration of chloride ions(i.e.,replacing 0.10M NaOH with0.10M KCl+0.10M NaOH as the electrolyte). The current response of MnO2/Au/GCE towards glucose oxidation remains almost unchanged(Fig.7),implying that the MnO2/Au/GCE is also highly resistant to poisoning by chloride ions and can be used as a glucose sensor even in the presence of high concentration of chloride ions.

Fig.8a shows the CVs for hydrogen peroxide with the prepared MnO2/Au modi?ed GCE.In the absence of hydrogen peroxide,there is a pair of very broad but barely observable waves between0.2V and0.8V(curve a)in PBS solution.It may be assigned to the reduc-tion of MnO2to Mn(II,III)and the reoxidation of Mn(II,III)back to MnO2[36].In the presence of H2O2,the CV displays a very signi?-cant oxidative current at potentials between0.5V and1.0V(curve b).The current for the oxidation of Mn(II,III)to MnO2signi?cantly increases with increasing H2O2concentration.The characteristic shape of the CV in this potential region indicates that the signal is probably due to a parallel catalytic reaction.As soon as MnO2 is reduced to lower states by H2O2,it is electro-oxidized back to MnO2at the electrode surface[36]:

MnO2+H2O2→MnO(or Mn2O3)+O2+H2O(6) MnO(or Mn2O3)→MnO2+2e(7) Since the above two reactions are fast,the parallel current is much higher than the oxidation current of MnO2on the electrode sur-face without H2O2.Effect of applied potential on the amperometric response of10?M H2O2in phosphate buffer solution was studied. Although at0.80V the signal is highest,we choose0.70V as the operating potential because above0.70V there is increased noise, which is a disadvantage for measuring low H2O2concentrations. The relationship between the oxidation current and the concentra-tion of H2O2was examined in a PBS solution(pH7.0).The solution was stirred to ensure uniform distribution of H2O2in the cell.Fig.8b displays the amperometric response for the H2O2.When the same amount of H2O2was injected into the cell,the concentration change of H2O2in the cell is10?M per addition and the current was recorded instantly.Calibration curves for H2O2measurement are also presented in Fig.8c.The current is linear for concentrations of H2O2from5×10?6to1×10?2M.The upper limit of linearity range (10?2M)was attained by examining the relationship between the oxidation current and the concentration of H2O2after injecting same amount of H2O2(concentration change:5×10?4M/addition) into the cell.The sensitivity of the sensor to H2O2was calculated to be1.49×104?A M?1.The detection limit was estimated to be 1×10?6M(signal/noise=3).

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4.Conclusion

In this work we have been able to synthesize MnO2/Au on the surface of GCE via a simple CV codeposition method.The size and morphology of the sample was investigated through the use of FE-SEM showing the sample to consist of MnO2/Au nanoclusters.These MnO2/Au modi?ed GCEs can be used in the catalytic oxidation of glucose and hydrogen peroxide.This novel MnO2/Au composite ?lm is a potential candidate for application in terms of fuel cells and enzyme-free sensors.

Acknowledgement

The authors acknowledge?nancial support by the National Nature Science Foundation of China(Nos.30770549,20805035and 90817103).

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电化学法制备纳米铜粉

文章编号:167325196(2008)0320009203 电化学法制备纳米铜粉 徐建林1,2,陈纪东1,2,张定军1,2,马应霞1,2,冉 奋1,2,龙大伟1,2 (1.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州 730050;2.兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃 兰州 730050) 摘要:在十二烷基硫酸钠、吐温80、苯、正丁醇、十二烷基硫醇和硫酸铜混合而成的乳液中,采用电化学合成的方法制备稳定的、粒径均匀的Cu 纳米颗粒.采用XRD 、TEM 及FT -IR 对所制备的Cu 纳米颗粒的结构、形貌、粒径大小及表面键合性质进行表征.结果表明,制备的纳米铜粉为球型颗粒,分散较好,尺寸较为均匀,约为60~80nm ,并且具有立方晶型结构;得到的纳米铜颗粒表面含有一层有机物质,形成了包覆层较薄的核壳结构,这种包覆层阻止了纳米铜粉在空气中或水中的团聚和氧化,起到提高纳米铜颗粒的分散性和稳定性的作用.关键词:纳米颗粒;Cu ;乳液;电化学中图分类号:TB383 文献标识码:A Preparation of copper nano 2powder by using electrochemical method XU Jian 2lin 1,2,C H EN Ji 2dong 1,2,ZHAN G Ding 2jun 1,2 MA Y ing 2xia 1,2,RAN Fen 1,2,LON G Da 2wei 1,2 (1.State Key Lab.of Gansu Advanced Non 2ferrous Metal Materials ,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China ;2.Key Lab.of Non 2ferrous Metal Alloys ,The Ministry of Education ,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China ) Abstract :Stable and uniform Cu nanoparticles was p repared wit h electrochemical met hod in emulsio ns containing of sodium dodecyl sulfate ,tween 80,benzene ,12butanol ,dodecyl mercaptan and CuSO4?5H 2O.The morp hology and struct ure of t he resulting copper nanoparticles were investigated wit h XRD ,TEM and F T 2IR.It was found t hat t he copper nano 2powder was of sp herical st ruct ure wit h a better dis 2persity ,uniform particlesize.t he average size being 60~80nm and cubic crystalline.A layer of organic compound was absorbed on t he surface of copper nanoparticles ,forming a shell 2core st ruct ure wit h t hin surface coating film ,which could be p revent t he Cu nano 2powder f rom aggregation and oxidation in t he at 2mo sp here or water ,and increase t he dispersibility and stability of t he Cu nanoparticles as well. K ey w ords :nanoparticles ;Cu ;emulsions ;elect rochemist ry 纳米铜颗粒的比表面积大,表面活性中心数多,在石油化工和冶金中是良好的润滑剂;此外,纳米铜颗粒具有极高的活性和选择性,可以用作高分子聚合物的氢化和脱氢化反应的催化剂[1,2].1995年,Pekka [3]等指出纳米铜由于其低电阻而可用于电子 连接,引起电子界的很大兴趣.纳米铜粉也可用于制 造导电浆料(导电胶、导磁胶等),广泛应用于微电子工业中的布、封装、连接等,对微电子器件的小型化生产起重要作用. 目前,常用的制备纳米铜粉的方法有:机械化学 收稿日期:2007201207 作者简介:徐建林(19702),男,陕西岐山人,博士,副教授. 法、气相蒸汽法、化学还原法、辐照还原法等.此外,Gedanken 等人报道了一种用自还原前驱体制备纳米铜的方法[4],Pileni 等人用表面活性剂囊泡技术制备了各种形状的铜纳米颗粒[5].机械化学法制备的粉体组成不易均匀,粉末易团聚,粒径分布宽,所以缺乏现实意义;气相蒸汽法所需原料气体价格昂贵,设备复杂,成本高.目前研究最多的是液相还原法,但是液相还原又需要用到一些剧毒的还原剂,这对研究者本身或者是环境都会造成危害.电化学合成方法具有反应条件温和、仪器设备简单、无毒无污染的优点,是合成纳米材料的有效手段之一[6,7]. 本文采用电化学电解法,在十二烷基硫酸钠、吐 第34卷第3期2008年6月兰 州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzhou University of Technology Vol.34No.3 J un.2008

沉淀法制备纳米ZnO

设计性实验2 沉淀法制备纳米ZnO 摘要:本实验以Zn(NO 3) 2 ·6H 2 O和NH 4 HCO 3 为原料,聚乙二醇(PEG600)为模板,采用 直接沉淀法制备纳米氧化锌,并计算产率和晶粒尺寸,讨论影响纳米ZnO晶粒大小的影响因素。 关键词:纳米氧化锌;直接沉淀法;产率;晶粒尺寸 1.直接沉淀发制备纳米ZnO的理论基础 氧化锌俗称锌白,常作白色颜料,是一种重要的工业原料,它广泛应用于涂料、橡胶、陶瓷、玻璃等多种工业。纳米氧化锌与普通氧化锌相比显示出诸多特殊性能,如:压电性、荧光性、非迁移性、吸收和散射紫外线能力等,因而其用途大大扩展,如可用于压敏材料、压电材料、荧光体、化妆品、气体传感器、吸湿离子传导温度计、图象记录材料、磁性材料、紫外线屏蔽材料、高效催化剂和光催化剂。国内外专家学者一致认为,纳米氧化锌必将逐步取代传统的氧化锌系列。 纳米材料是指晶粒(或组成相)在任一维的尺寸小于100nm的材料,是由粒径尺寸介于1 ~ 100nm之间的超细微粒组成的固体材料,按空间形态可分为一维纳米丝、二维纳米膜和三维纳米粒。 纳米材料的制备方法分类如下表:

本实验采用化学沉淀法里的直接沉淀法制备纳米ZnO ,直接沉淀法的原理是在可溶性锌盐溶液中加入沉淀剂后,于一定条件下生成沉淀从溶液中析出,将阴离子洗去,经分离、干燥、热处理后,得到纳米氧化锌。该方法操作简单,对设备和技术要求不太苛刻,产品纯度高,不易引入杂质,成本低。 X-射线衍射仪可以利用衍射原理,精确测定物质的晶体结构,织构及应力,精确的进行物相分析,定性分析,定量分析.利用谢乐公式:Dc = 0.89λ /(B cos θ) (λ为X 射线波长, B 为衍射峰半高宽, θ 为衍射角) ,根据粉体X-射线衍射图可以得到相关数据,计算得到粒子的尺寸。 2.实验 2.1实验药品及仪器 Zn(NO 3)2·6H 2O 、 NH 4HCO 3、聚乙二醇(PEG600)、无水乙醇、去离子水 烘箱、500ml 烧杯、250ml 烧杯两个、玻璃棒、PH 计、马弗炉、X 射线衍射仪,胶头滴管。 2.2制备原理及实验步骤 配制0.8mol/l 的聚乙二醇(PEG600)溶液,称取23.8g 的 Zn(NO 3)2·6H 2O 溶于100ml 去离子水,并加入1g 上述配制的聚乙二醇(PEG600)溶液。称取31.6g NH 4HCO 3定容至200ml 配制成2.0mol/l 的溶液。然后将NH 4HCO 3溶液缓慢滴加到锌盐溶液中。调节反应体系的终点PH 值为7.5.将所得的沉淀物减压抽滤,用1mol/L 的NH 4HCO 3溶液无水乙醇分别洗涤3次,60-80℃烘干后放于马弗炉400℃煅烧2h ,即得纳米ZnO 粉体。 主要反应历程如下: Zn 2++2CO 3→ZnCO 3(↓)+CO 2↑+H 2O ZnCO 3→ZnO+CO 2(↑)

电化学在制备纳米材料方面的应用

电化学在制备纳米材料方面的应用 摘要:应用电化学方法制备纳米材料是近年来发展起来的一项新技术。本文对应用电化学技术制备纳米材料的方法进行分类,着重介绍了电化学沉积法、电弧法、超声电化学法和电化学腐蚀法,并对其应用前景做了展望。 关键词:电化学纳米材料电沉积 1 前言 纳米材料和纳米技术被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当材料的粒子尺寸小至纳米级时,材料就具有普通材料所不具备的三大效应:(1)小尺寸效应,指当纳米粒子的尺寸与传统电子的德布罗意波长以及超导体的相干波长等物理尺寸相当或更小时,其周期性的边界条件将被破坏,光吸收、电磁、化学活性、催化等性质发生很大变化的效应;(2)表面效应,指纳米微粒表面原子与总原子数之比。纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小,表面原子数迅速增加。由于表面原子数增加,原子配位不足及高的表面能,使得这些表面原子具有高的活性,极不稳定,使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性;(3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。研究发现,一些宏观量,如纳米粒子的磁化强度、量子相干器件中的磁通量也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应。正是由于纳米材料具有上面的三大效应,才使它表现出:(1)高强度和高韧性;(2)高热膨胀系数、高比热容和低熔点;(3)异常的导电率和磁化率;(4)极强的吸波性;(5)高扩散性等令人难以置信的奇特的宏观物理特性。 自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”,我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。 由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响,因此,纳米材料形貌和尺寸的控制在纳米材料合成中是非常重要的。 目前制备纳米材料主要采用机械法、气相法、磁控溅射法等物理方法和溶胶—凝胶法、离子液法、溶剂热法、微乳法化学方法。但在这些方法中,机械法、气相法、磁控溅射法的生产设备及条件要求很高,生产成本高;化学方法中的离子液法和微乳法是近几年发展起来的新兴的研究领域,同时离子液离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好等独特的物理化学性质,但是离子液体用于纳米材料制备的技术还未成熟。 应用电化学技术制备纳米材料由于简单易行、成本低廉等特点被广泛研究与采用。与其他方法相比,电化学制备方法主要具有以下优点:1、适合用于制备的纳米晶金属、合金及复合材料的种类较多;2、电化学制备纳米材料过程中的电位可以人为控制。整个过程容易实现计算机监控,在技术上困难较小、工艺灵活,易于实验室向工业现场转变;3、常温常压操作,避免了高温在材料内部引入的热应力;4、电沉积易使沉积原子在单晶基底上外延生长,可在大面积和复杂形状的零件上获得较好的外延生长层。 电化学方法已在纳米材料的制备研究领域取得了一系列具有开拓性的研究成果。本文综述了应用电化学技术制备纳米材料的主要的几种方法及其制备原理,并对其优劣进行了比较。 2 应用电化学技术制备纳米材料的种类 2.1 电化学沉积法 与传统的纳米晶体材料制备相比,电沉积法具有以下优点:(1)晶粒尺寸在1~100 nm内;(2)

液相沉淀法在材料合成中应用进展

液相沉淀法合成纳米粉体的应用进展 材料科学与工程赵小龙2011201307 摘要:液相沉淀法是一种合成纳米粉体最为普遍的方法。本文将介绍液相沉淀法的三种方法:直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。对液相沉淀法合成纳米粉体的沉淀反应过程、洗涤过程、干燥过程以及煅烧过程等环节的控制方法及原理作了详述。由于纳米TiO2粉体具有是优良的光催化活性,且具有极大的商业价值,本文还将介绍一下纳米TiO2粉体制备工艺。 关键词:液相沉淀;控制;洗涤;干燥;煅烧;制备工艺 纳米粉体是指线度处于1 nm~100 nm的粒子聚合体,包括金属、金属氧化物、非金属氧化物和其他各种各类的化合物。与普通粉体相比,纳米粉体的特异结构使其具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧道效应[1],因而在催化、磁性材料、医学、生物工程、精细陶瓷和化妆品等众多领域显示出广泛的应用前景,成为各国竞相开发的热点。纳米粉体的制备方法很多,可归纳为固相法、气相法和液相法三大类。其中液相化学法是目前实验室和工业上采用最为广泛的合成纳米粉体的方法,包括沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法和水热合成法等[2]。本文主要讨论了液相沉淀法合成纳米粉体的分类、方法、控制过程及原理。 1 液相沉淀法介绍 液相沉淀法是液相化学反应合成金属氧化物纳米材料最普通的方法。它是利用各种溶解在水中的物质反应生成不溶性氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐和乙酸盐等,再将沉淀物加热分解,得到最终所需的纳米粉体。液相沉淀法可以广泛用来合成单一或复合氧化物的纳米粉体,其优点是反应过程简单,成本低,便于推广和工业化生产。液相沉淀法主要包括直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。 1.1 直接沉淀法 直接沉淀法是使溶液中的金属阳离子直接与沉淀剂,如OH-、C 2O 2 -4、CO 2 -3, 在一定条件下发生反应而形成沉淀物,并将原有的阴离子洗去,经热分解得到纳 米粉体。直接沉淀法操作简便易行,对设备、技术要求不太苛刻,不易引入其他杂质,有良好的化学计量性,成本较低,因而对其研究也较多,只不过其合成的纳米粉体粒径分布较宽。廖莉玲等[3]以硝酸镁、碳酸钠为原料,用直接沉淀法合成得到纳米氧化镁,其平均粒径为30 nm。文献[4]报道了用一定溶度的ZrOCl 2 和氨水溶液在聚乙二醇水溶液中混合反应,经抽滤、洗涤、干燥、煅烧后得到纳米 ZrO 2 。其中聚乙二醇起到保护胶粒的作用。 1.2 共沉淀法 共沉淀法是在混合的金属盐溶液(含有两种或两种以上的金属离子)中加入合适的沉淀剂,反应生成均匀沉淀,沉淀热分解后得到高纯纳米粉体材料。它是制备含有两种以上金属元素的复合氧化纳米粉体的主要方法。其在制备过程中完成了反应及掺杂过程,因而得到的纳米粉体化学成分均一、粒度小而且均匀。共沉淀法已被广泛用于制备钙钛矿型材料、尖晶石型敏感材料、铁氧体及荧光材料。 文献[5]报道了用Al(NO 3) 3 和ZrO(NO 3 ) 2 混合溶液,加氨水共沉淀制备了一系列Al 2 O 3 含量由低到高的ZrO 2-Al 2 O 3 纳米复合氧化物。焦正等[6]采用喷射共沉淀法制备了 尖晶石型ZnGa 2O 4 纳米晶,晶粒细小均匀,形状完整,粒径小于10nm,无ZnO杂 相峰。

电化学沉积

金属电沉积理论 一.研究概况 在电化学中,金属的电化学沉积学是一种最古老的学科。在电场的作用下,金属的电沉积发生在电极和电解质溶液的界面上,沉积过程含有相的形成现象。 首先,在金属的电化学沉积实验的研究时间要追溯到19世纪,并且在引进能产生直流电的电源以后,电镀很快成为一种重要的技术。电镀被用来制造各种不同的装饰性和功能性的产品,尽管在开始的早期,电镀技术的发展和应用建立是在经验的基础上。 金属电沉积的基本原理就是关于成核和结晶生长的问题。1878年,Gibbs在他的著名的不同体系的相平衡研究中,建立了成核和结晶生长的基本原理和概念。20世纪初,Volmer、Kossel、Stransko、Kaischew、Becker和Doring用统计学和分子运动模拟改进了基本原理和概念。按照这些早期的理论,成核步骤不仅要求一个新的三维晶体成核,而且完美单晶表面的层状二维生长。对于结晶理论的一个重要改进是由Avrrami提出的结晶动力学,他认为在成核和生长过程中有成核中心的重复碰撞和相互交迭。在1949年,Frank提出在低的过饱和状态下的一个单一晶面成长会呈螺旋状生长。Cabrera和Frank等考虑到在成长过程中吸附原子的表面表面扩散作用,完善了螺旋成核机理。 20世纪二三十年代,Max、V olmer等人对电化学结晶进行了更为广泛的基础研究。Erday-gruz和Volmer是第一次认识到过饱和度与过电位,稳态电流密度和由电荷转移引起的电结晶过电位之间的关系。 20世纪三四十年代,Finch和他的同事做了大量的关于多晶电化学沉积的实验,研究了决定结晶趋向与金属薄膜的组织结构的主要因素。在这一时期,Gorbunova还研究了底层金属与电解质溶液组成对电结晶过程的影响,并发现了由于有有机添加剂的吸附作用可能导致金属晶须的生长。 1945年,Kaischew对电结晶理论做了重大改进。考虑到单一晶体表面上金属原子的结合和分开的频率,可利用分子运动学模拟电化学结晶过程。这项工作对电结晶理论的发展有着重大的影响。 20世纪50年代是在电化学结晶理论与实验技术取得重大进步的阶段。Fincher等人完成在实际的电镀体系中抑制剂对电结晶成核与生长的影响的系统研究,并按照其微观结构和形态对金属电沉积进行了分类。Piontell等人对基体的取向作用和在金属沉积系统中同向和异向的金属沉积的阴离子的特性进行了进一步的研究。Kardos、Kaischew等人利用新的实验技术证实Volmer`s的三维形核的正确性。Wranglen,Vermilyea等人对结晶树枝状生长进行了深入的研究,提出了新的电化学结晶的理论模型。 20世纪60年代初,Flischman和Thirsh发展了在电结晶状态下多重成核与生长的一般

半导体纳米材料的制备方法

摘要:讨论了当前国内外主要的几种半导体纳米材料的制备工艺技术,包括物理法和化学法两大类下的几种,机械球磨法、磁控溅射法、静电纺丝法、溶胶凝胶法、微乳液法、模板法等,并分析了以上几种纳米材料制备技术的优缺点关键词:半导体纳米粒子性质;半导体纳米材料;溶胶一凝胶法;机械球磨法;磁控溅射法;静电纺丝法;微乳液法;模板法;金属有机物化学气相淀积引言 半导体材料(semiconductormaterial)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内)。相对于导体材料而言,半导体中的电子动能较低,有较长的德布罗意波长,对空间限域比较敏感。半导体材料空间中某一方向的尺寸限制与电子的德布罗意波长可比拟时,电子的运动被量子化地限制在离散的本征态,从而失去一个空间自由度或者说减少了一维,通常适用体材料的电子的粒子行为在此材料中不再适用。这种自然界不存在,通过能带工程人工制造的新型功能材料叫做半导体纳米材料。现已知道,半导体纳米粒子结构上的特点(原子畴尺寸小于100nm,大比例原子处于晶界环境,各畴之间存在相互作用等)是导致半导体纳米材料具有特殊性质的根本原因。半导体纳米材料独特的质使其将在未来的各种功能器件中发挥重要作用,半导体纳米材料的制备是目前研究的热点之一。本文讨论了半导体纳米材料的性质,综述了几种化学法制备半导体纳米材料的原理和特点。

2.半导体纳米粒子的基本性质 2.1表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 随着纳米材料粒径的减小,表面原子数迅速增加。例如当粒径为10nm 时,表面原子数为完整晶粒原子总数的20%;而粒径为1nm时,其表面原子百分数增大到99%;此时组成该纳米晶粒的所有约30个原子几乎全部分布在表面。由于表面原子周围缺少相邻的原子:有许多悬空键,具有不饱和性,易与其他原子相结合而稳定下来,故表现出很高的化学活性。随着粒径的减小,纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2*10-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多李晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。 因此想要获得发光效率高的纳米材料,采用适当的方法合成表面完好的半导体材料很重要。 2.2量子尺寸效应 量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。当半导体材料从体相减小到某一临界尺寸(如与电子的德布罗意波长、电子的非弹性散射平均自由程和体相激子的玻尔半径相等)以后,其中的电子、空穴和激子等载流子的运动将受到强量子封

多孔碳纳米球的制备及其电化学性能_杨秀涛

物理学报Acta Phys.Sin.Vol.66,No.4(2017)048101 多孔碳纳米球的制备及其电化学性能 ?杨秀涛梁忠冠袁雨佳阳军亮夏辉? (中南大学物理与电子学院,长沙 410083) (2016年10月11日收到;2016年10月31日收到修改稿) 以三嵌段共聚物F108为软模板,通过水热法合成酚醛树脂球并在氮气氛围下碳化、KOH 活化处理,最终得到多孔碳纳米球材料.通过扫描电子显微镜,透射电子显微镜和氮气吸附分析仪对样品进行表征,结果表明样品的平均粒径为120nm,球形度高,比表面积达到1403m 2/g,孔径分布广.通过X 射线衍射研究样品的结晶度, 序度提高明,10000次循环充放电后,关键词:PACS:1引上的电池,长、能影响较大[纳米管[5,6]球[12?14].物为模板,活化,得到活 P123(PEO 20-. 为软模板,利用水(porous .通过扫描电子X 射线,研究孔隙结构、 ?国家自然科学基金(批准号:51673214)资助的课题.?通信作者.E-mail:xhui73@https://www.360docs.net/doc/e717373763.html, ?2017中国物理学会Chinese Physical Society https://www.360docs.net/doc/e717373763.html, 网络出版时间:2017-01-12 10:56:13 网络出版地址:https://www.360docs.net/doc/e717373763.html,/kcms/detail/11.1958.O4.20170112.1056.016.html

结晶度和表面官能团的影响.结合PCNS 样品的电化学性能的测试,研究了PCNS 样品的理化特性对其电化学性能的影响. 2实验部分 2.1 多孔碳纳米球的合成 首先,称取1.96g 三嵌段共聚物F108溶解于30mL 水中搅拌均匀得到澄清溶液A.然后称1.2g 的苯酚并量取4.2mL 质量分数为37%的甲醛溶液溶解于30mL 的0.1M(mol/L)氢氧化钠溶液,搅拌均匀, min 体系中加入到溶液B.取物质烘干.氛下以700? 物PCNS 为中性,900?C 时,2.2600i)TWIX)比表面积S 孔面积(S 计算.品的孔径分布.用X 射线衍射仪(XRD,SIEMENS D500)在电压为40kV 、电流为100mA,Cu 靶、K α射线(λ=0.15056nm)、石墨单色滤波器以及衍射角为10?—70?的条件下以2?/s 的速度对样品扫描. 用红外光谱仪(FTIR,Niclet 380)对样品在波数500cm ?1—4500cm ?1范围内进行扫描,根据得到的吸收光谱图分析样品的表面元素及官能团组成. 2.3电化学特性测试 采用辰华CHI660E 电化学工作站在三电极体 系进行电化学特性的测试.测试体系的对电极和参比电极分别采用铂片电极和Hg/HgO 电极,而工作电极的制备采用(1×1)cm 2泡沫镍为基底,将制备的多孔碳纳米球样品作为活性物-质和乙炔黑,用乙醇作为溶剂,60wt%聚四氟乙烯(PTFE)混合,调成浆状,,于10MPa 压(cyclic (galvano-GC)和电化学阻spectroscopy,5,10,20,50,100V 的电压区间进行·m ), (1) (A),放电时间(g).电化学kHz,微扰为,1(b)分别是PCNS 1(c)和图1(d)是照片,图1(e)和TEM 照片,每TEM 照片,KOH 处理后其粒径大小没有明显的改变.从选区电子衍射图可知,样品在?002?和?100?晶面处具有衍射特征峰.由超高放大倍数TEM 照片,可以看出样品PCNS700和PCN900的微晶有序度要高于PCNS 的有序度.

溶胶-凝胶法在制备纳米材料方面的应用

溶胶-凝胶法在制备纳米材料方面的应用 前言 纳米科技是一个跨学科的研究与开发领域,涉及纳米电子学、纳米材料学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工及表征等。纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域内 一个重要的研究课题,新材料制备工艺过程的研究与控制对纳米材料的微观结构和性能具有 重要的影响。最早是采用金属蒸发凝聚"原位冷压成型法制备纳米晶体,相继又发展了各种 物理、化学方法,如机械球磨法、非晶晶化法、水热法、溶胶-凝胶法等 溶胶-凝胶法是上个世纪6、70年代发展起来的一种制备无机材料的新工艺,近年来多 被用于制备纳米微粒和薄膜。溶胶-凝胶法具有反应条件温和通常不需要高温高压,对设备 技术要求不高,体系化学均匀性好,可以通过改变溶胶-凝胶过程的参数裁剪控制纳米材料 的显微结构等诸多优点。不仅可用于制备超微粉末和薄膜,而且成功应用于颗粒表面包覆, 成为目前合成无机纳米材料的主要技术,引起了材料科学技术界的广泛关注,是一个具有挑战性和应用前景非常广阔的领域。 1.溶胶-凝胶法的工艺原理: 溶胶凝胶法的工艺原理是:以液体化学试剂配制成金属无机盐或金属醇盐的前驱体,前驱体溶于溶剂中形成均匀的溶液(有时加入少量分散剂)加入适量的凝固剂使盐水解、 醇解或发生聚合反应生成均匀、稳定的溶胶体系,再经过长时间放置(陈化)或干燥处理使 溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分、最后得到无机纳米材料。因此,也有 人把溶胶凝胶法归类为前驱化合物法。 根据原料的不同,溶胶凝胶法一般可分为两类,即无机盐溶胶凝胶法和金属醇盐水解法。(1)在无机盐溶胶凝胶法中,溶胶的制备是通过对无机盐沉淀过程的控制,使生成的颗粒 不团聚成大颗粒而生成沉淀,直接得到溶胶;或先将部分或全部组分用适当的沉淀剂沉淀出 来,经解凝,使原来团聚的沉淀颗粒分散成胶体颗粒溶胶的形成主要是通过无机盐的水解来 完成。反应式如下 (2)金属醇盐水解法通常是以金属有机醇盐为原料! 通过水解与缩聚反应而制得溶胶’首先将金属醇盐溶入有机溶剂! 加水则会发生如下反应: 式中M为金属R为有机基团,如烷基。经加热去除有机溶液得到金属氧化物材料。 2.溶胶-凝胶法的工艺过程: 溶胶凝胶法制备无机纳米材料过程主要包括5个步骤 (1)均相溶液的制备:溶胶凝胶法的第一步是制取包含醇盐和水均相溶液,以确保醇盐的 水解反应在分子级水平上进行。在此过程中,溶剂的选择和加入量是关键。 (2)溶胶的制备:在溶胶凝胶法中,最终产品的结构在溶胶形成过程中即已初步形成,后 续工艺均与溶胶的性质直接相关,因此溶胶制备的质量是十分重要的。有两种方法制备溶胶,一是先将部分或全部组分用适当沉淀剂先沉淀出来,经解凝,使原来团聚的沉淀颗粒分散成 原始颗粒。这种颗粒的大小一般在溶胶体系中胶核大小的范围内,因而可制得溶胶;另一种方法是由同样的盐溶液,通过对沉淀过程的严格控制,使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒 而沉淀,从而直接得到胶体溶液。 (3)凝胶化过程:缩聚反应形成的聚合物或粒子聚集体长大为小粒子簇,后者逐渐相互连 接成为一个横跨整体的三维粒子簇连续固体网络。在陈化过程中,胶体粒子聚集形成凝胶, 由于液相被包裹于固相骨架中,整个体系失去活动性,随着胶体粒子逐渐形成网络结构, 溶胶也从Newton体向Bingham体转变,并带有明显的触变性。在许多实际应用中,制品的成型就是在此期间完成的。

电化学沉积3D打印金属零件工艺【详述】

电化学沉积3D打印金属零件 内容来源网络,由“深圳机械展(11万㎡,1100多家展商,超10万观众)”收集整理! 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示,就在深圳机械展. 3D打印通过材料层间凝固形成复杂的三维几何体,金属3D打印提供的自由设计与制造已经在航空航天、汽车和医疗领域获得了应用。金属增材制造多以DMLS、SLM、LENS等技术常见,通过选择性激光烧结金属粉末层实现零件成型。由于金属打印机的高成本、零件内部易产生缺陷等问题,目前对金属增材制造的商业应用受到很大限制。因此,今年XJET开发出了基于喷墨的金属增材方式,开启了金属打印的新模式,近来伦敦帝国学院推出了一种成本较低的金属成型方式,该技术是基于FDM的电化学增材制造工艺。 电化学增材制造的基本原理是源于电镀工艺。电镀通常用于诸如首饰镀金或硬币镀铜的应用,它的工作原理是溶液中的金属离子如硫酸铜中的Cu2+离子通过施加外部电位而被还原成其元素组分,从而形成金属结构。

该工艺的优点是可在室内环境条件下沉积多种材料和合金,而不会造成热损伤,不需要激光器或惰性气体环境,成本很低。而且,在沉积过程还可以通过电位的逆转来实现增材和减材,从而通过电化学溶解来回收组分。 这项技术主要缺点是沉积速度慢,该问题的解决主要基于设备本身,研发团队采用半月板隔离法,将离子溶液装入注射器中,通过机械方法使电解质挤出,在喷嘴和导电板之间形成弯液面,通过施加电压来沉积金属,并且通过打印头移动来建立3D零件。采用该方法,金属沉积率比等效系统高出三个数量级。印刷的铜结构具有多晶质的特性,随着电压的增加,其粒尺寸减小,从而提高维氏硬度和电阻率。 电化学沉积技术通过控制电压正反可实现增材和减材制造,对于回收金属非常有限,大大降低了成本,并且通过安装打印头给复合材料制造提供了可能。

电化学方法制备纳米材料

电化学方法制备纳米材料 Mcc 引言:诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。 纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。1992年,《Nanostructured Materials》正式出版,标志着纳米材料学成为一门独立的科学。自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响,因此,纳米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器件的基本构成单元,纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。而电化学方法制备纳米材料的研究,经历了早期的纳米薄膜、纳米微晶的制备,直至现在的电化学制备纳米金属线、金属氧化物等过程,为纳米材料的研究做出了极大的贡献。 摘要:纳米是指特征维度尺寸介于1-100 nm范围内的粒子微小粒子,又称作超微粒子。当粒子尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。本文简单综述了纳米材料的合成与制备中常用的几种方法以及简单的一些应用,着重综述了

纳米材料的电化学制备方法并对其影响因素和发展情景做以简单探究。 关键词:纳米材料电化学制备特征应用 Electrochemical preparation of nano materials Mcc Introduction:Nobel Prize winner in the s Feyneman prophecy: if we tiny scale of objects arranged to some control of words, we can make the object have a lot of unusual characteristics, you will see the properties of materials have a wealth of change. What he said is the material of the nanometer material now. Nano materials and nanotechnology is widely thought to be the 21 st century the most important new materials and one of the areas of science and technology. In 1992, the Nanostructured Materials "the official publication, marked the nanometer material science into an independent scientific < https://www.360docs.net/doc/e717373763.html,/gongxue/ >. Since 1991, the first time the Iijima preparation since carbon nanotubes, a one-dimensional nanomaterials due to the nature of the has many special and broad application prospects and caused the people's attention. Because the morphology of nanometer material and size of its performance has the important influence, therefore, the size

化学沉淀法制备纳米二氧化硅

化学沉淀法制备纳米二氧化硅 摘要:采用硅酸钠为硅源,氯化铵为沉淀剂制备纳米二氧化硅。研究了硅酸钠的浓度、乙醇与水的体积比以及pH 值对纳米二氧化硅粉末比表面积的影响,并用红外、X射线衍射和透射电镜对二氧化硅粉末进行了表征。研究结 果表明在硅酸钠浓度为0. 4 mol/L,乙醇与水体积比为1B8, pH值为8. 5时可制备出粒径为5~8 nm分散性好的无 定形态纳米二氧化硅。 关键词:沉淀法;纳米SiO2;制备 1 引言 纳米二氧化硅为无定型白色粉末,是一种无毒、无味、无污染的材料,其颗粒尺寸小,比表面积大,是纳米 材料中的重要一员。近年来,随着纳米二氧化硅制备技术的发展及改性研究的深入,纳米二氧化硅在橡胶、 塑料、涂料、功能材料、通讯、电子、生物学以及医学等诸多领域得到了广泛的应用[1, 2]。目前,纳米二氧化硅主要制备方法有以硅烷卤化物为原料的气相法[3];以硅酸钠和无机酸为原料的化 学沉淀法[4];以及以硅酸酯等为原料的溶胶-凝胶法[5-7]和微乳液法[8-10]。在这些方法中,气相法原料昂贵, 设备要求高,生产流程长,能耗大;溶胶-凝胶法原料昂贵,制备时间长;而微乳液法成本高、有机物难以去除 易对环境造成污染。与上述三种方法相比,化学沉淀法具有原料来源广泛、价廉,能耗小,工艺简单,易于工 业化等优点,但同时也存在产品粒径大或分布范围较宽的问题,这是由于产品性状在制备过程中受许多可变 因素的影响。近年来,许多研究通过各种控制手段来改善沉淀法产品的性状,如郑典模[11]、贾东舒[12]、孙道 682 研究快报硅酸盐通报第29卷 兴[13]等对反应条件加以分别制得了平均粒径为76 nm、30~50 nm和20~40 nm的二氧化硅,何清玉[14]引入 了超重力技术制得了小于20 nm的二氧化硅。 本文以硅酸钠为硅源,氯化铵为沉淀剂,加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和乙醇,通过 化学沉淀法合成了粒径小且分布窄的纳米二氧化硅。 在硅酸钠溶液中,简单的偏硅酸离子并不存在,偏硅酸钠的实际结构为Na2(H2SiO4)和Na (H3SiO4),因 此溶液中的负离子H2SiO2-4为和H3SiO-4。二者在溶液中皆可与氢离子结合生成硅酸。氯化铵是一种强酸 弱碱盐,能缓慢地释放出H+,可以有效避免pH变化过大。另外反应在碱性条件下进行,反应所生成的粒子 带负电,可吸引NH+4和溶液中的Na+形成双电层,通过双电层之间库仑排斥作用,平衡离子表面电荷,从而

电化学法沉积金属薄膜和镀膜(中文译版)

Rapid electroplanting of insulators 电化学法沉积金属薄膜和镀膜有着很长的历史。这些技术大体分为两类,各有各的优点和缺点。第一种,也是最古老的一种,就是利用自发氧化还原反应来从溶液中沉积金属。这种沉积方法不仅可在金属基片上沉积,还可以在绝缘基片上沉积。但这种方法的沉积条件很难控制在原位沉积。一部分原因在于溶液中存在多种盐类和添加剂。第二种方法----电镀术---利用电流来降低溶液中的金属离子含量,并给出了控制沉积金属的质量(还在某种程度上控制了颗粒大小)。但这种技术的应用至今仍被局限于导电基片。我们将在这篇文章里描述可在不导电基片上实施的电镀技术,并能控制沉积金属的颗粒大小、厚度和生长速率。我们这种方法的基础是从与基片相连的电极上逐步向外生长金属,它的晶格形貌由生长着的沉积金属的电流的减小所控制。这种方法一般会形成树状、粉末状的沉积物,但我们指出了一系列快速生长均一薄膜的方法。 这里我们描述了一系列电化学晶格和一些可以用电沉积的方式在绝缘基片表面沉积金属膜层的方法。这种方式使得控制沉积磨蹭的晶粒尺寸。这种方法是建立在最近非平衡物理的基础上的。它使得生长均一薄膜成为可能,这也是电化学生长的基本要求。 用电沉积法沉积金属是在低电流密度下生长致密的金属。所以,当沉积电流提升时,沉积(随着电流功率的提高以及平衡和颗粒修复的缺失)变得粗糙,乃至变成树状或粉末状。这在工业上是一个制约因素。非平衡态物理学更多注重了同一性:即生长模式。比如,二元电解液的电化学生长就被研究了15年。由Chazlviel提出的新理论正确预言了二元电解液在树状沉积物周围的生长速率、沉积速率以及浓度场。这种理论预测了大电场的存在下在沉积物的顶端存在正比于离子浓度降低速率的连续生长模式。我们在自由流动的(大概是指溶液吧)、接近二维的树状沉积物的情况下验证了这些预测,这份工作由M.e.a独立发现。但这些实验存在一个问题:沉积物不能从电池里被取出。这就是为什么我们中的一个人提出了一种新的沉积树状物的方法(由C.e.a提供的模型提出)。 (公式推导看不懂,略) (图一) 现在我们公布这种装置使得连续沉积镀膜得以实现(薄膜的生长特征相同,包括厚度和生

纳米材料制备方法

纳米微粒制备方法研究进展 刘伟 (湘潭大学材料科学与工程学院,13材料二班,2013701025) 摘要:纳米微粒一般是指粒径在1nm到100nm之间,处在原子簇和宏观物体交接区域内的粒子,或聚集数从十到几百范围的物质。纳米材料具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特点,因而有许多与传统的晶体和非晶体不同的独特性质,也与组成它们的分子或原子差异很大,在材料学、物理学、化学、催化、环境保护、生物医学等领域具有十分广阔的应用前景。本文综述目前纳米微粒的主要的制备方法, 比较和评述了每种方法的特点,以期这一新材料能得以更为深入地研究和更广泛地应用。 关键词:纳米微粒;制备;方法 1.引言 纳米微粒的制备方法从物料的状态来分,可归纳为固相法、液相法、气相法3大类;从物料是否发生化学反应而分为物理法、化学法及近年迅速发展的模板合成法、仿生法等;随着科技的不断发展及对不同物理、化学特性超微粒子的需求,又派生出许多新的技术,下面就着重介绍固相法、液相法和气相法。 2.固相法 固相法是一种传统的粉化工艺,具有成本低、产量高、制备工艺简单的优点。固相法分为固相机械粉碎法和固相反应法。固相机械粉碎法借用诸如搅拌磨、球磨机、气流磨、塔式粉碎机等多种粉碎机,利用介质和物料之间的相互研磨和冲击的原理,使物料粉碎,常用来制备微米级粒径的粉体颗粒。此法存在能耗大、颗粒粒径分布不均匀、易混入杂质、颗粒外貌不规则等缺点,因而较少用以制备纳米微粒。固相反应法是将固体反应物研细后直接混合,在研磨等机械作用下发生化学反应,然后通过后处理得到需要的纳米微粒。该方法一般要加入适量表面活性剂,所以有时也称湿固相反应。该方法具有工艺简单、产率高、颗粒粒子稳定化好、易操作等优点,尤其是可减少或避免液相中易团聚的现象。[4] 3.液相法 液相法是目前实验室和工业生产中较为广泛采用的方法。通常是让溶液中的不同分子或离子进行反应,产生固体产物。产物可以是单组分的沉淀,也可以是多组分的共沉淀。其涉及的反应也是多种多样的,常见的有:复分散反应、水解反应、还原反应、络合反应、聚合反应等。适当控制反应物的浓度、反应温度和搅拌速度,就能使固体产物的颗粒尺寸达到纳米级。液相法具有设备简单、原料易得、产物纯度高、化学组成可准确控制等优点。下面主要介绍其中的沉淀法和微乳液法。 3.1 沉淀法 沉淀法是液相法制备金属氧化物纳米微粒最早采用的方法。沉淀法基本过程是:可溶性化合物经沉淀或水解作用形成不溶性氢氧化物、水合氧化物或盐类而析出,经过滤、洗涤、煅烧得到纳米微粒粉末。沉淀法又分为均相沉淀法和共沉淀法。沉淀法工艺简单、成本低、反应时间短、反应温度低,易于实现工业化生产。但是,沉淀物通常为胶状物,水洗、过滤较困难;所制备的纳米微粒易发生团聚,难于制备粒径小的纳米微粒。沉淀剂容易作为杂质混入产物之中。此外,还由于大量金属不容易发生沉淀反应,因而这种方法适用面较窄。[3]

电化学沉积

电化学沉积概述 机械学院11243009 宁智 摘要:概述了电化学定义及其特点,并且重点介绍了电化学沉积技术的机理,优点,应用及其发展。 关键词:电化学;电化学沉积;机理;应用 1 引言 电化学是研究电与化学反应相互关系的学科,主要通过化学反应来产生电能以及研究电流导致化学变化方面的研究[1]。尤其是近年来电化学技术的快速发展,不仅电化学理论和电化学方法不断创新,而且在应用领域也更加广泛,近年来电化学的发展非常迅速,不仅电化学理论和电化学、方法不断创新,而且在应用领域,如化学工业、能源、材料科学和环境保护等方面同样也占有越来越重要的地位[2]。电化学过程有以下特点:1)多功能性。它具有直接或间接氧化与还原、相分离、浓缩与稀释、生物杀伤等功能,能处理从uL~106L的气体、液体与固体污染物。2)能量效率高。与高温燃烧反应相比,它可在较低温度下进行。由于不经过卡诺循环限制,能量利用率高。通过电位控制、电极与电解池的设计,可减小由于电流分布不均带来的副反应、欧姆降等能量损失。3)可自动控制。电化学过程中的两大参数电流与电位信号,易测定和自动控制。4)环境相容性高。电化学过程中使用的主要试剂为电子,是最洁净试剂。另外,较高的选择性可防止副反应发生,可减少污染物。5)经济合算。所需设备简单,操作费用较低。根据上述过电位控制、电极与电解池的设计,设计合理的电解池结构,利用先进电极材料,可达到“零排放”要求。[3]电化学沉积在特种加工尤其是在新型功能材料这一新领域所取得的突出成绩都是比较典型的例子。 2 电化学沉积概述[4-6] 电化学沉积是一门古老的技术.金属电化学沉积在19世纪早期如1840年即已出现银和金的镀覆专利.不久以后又发明了镀镍技术.电镀铬工艺至今也约有一个世纪.科学技术的不断发展和深入,电化学沉积的研究领域不断拓宽和扩展,已迅速地发展成为具有重大工业意义的一门技术,并已获得了巨大的成功.传统的电沉积过程,如Cu,Ni,Cr,强调的是装饰性和防腐性.今天,具有特殊用途的镀层的研究、开发和应用则已成为核心内容。 近年来,随着理论和实验研究的不断深入,电沉积技术取得了很大发展,沉积方法也越来越多样化,主要包括直流电沉积、脉冲电沉积、喷射电沉积和复合电沉积等方法.电沉积技术应用主要是各种半导体、合金的电沉积,以及多种形态和性能材料的开发. 3 电化学沉积的机理 电镀工艺的发展和控制通常都是以一种纯粹的实验观察为依据.在工业实践过程中,规范化的电镀工艺通常仅依赖于添加剂的优劣.很少量的表面活性品种对沉积过程有很显著的影响,其作用的复杂性导致对基本理论的了解远远落后于工艺的发展.先进的技术必须有成熟的理论依据为基础.现在,强有力的现场分析技术如扫描探针显微镜,拉曼光谱,红外光谱,以及基于X射线技术与电化学测试手段的联用技术的应用,使电沉积、电结晶的理论研究更加深入成为现实[4]。 金属电沉积是在外加电压下,通过电解液中金属离子在阴极还原为原子而形成沉积层的过程.金属电沉积不仅是发生在电极/离子导体界面上的电荷传递过程,而且包含了在外电场影响下的成核和晶体生长等一系列成相过程.根据电沉积条件的不同,金属沉积物的形态可是大块多晶、金属薄层、粉末或枝晶等. 电沉积,亦即电结晶过程,是一个多步骤的复杂过程,涉及溶液体相中和电极表面层的交叉变化.理想晶面上金属电沉积主要经历以下几个阶段: 1)溶液中的金属离子(或络离子)向电极界面附近传输;

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