專利名稱：一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈷納米粒子的制備方法，尤其涉及一種以多孔玻璃為載體制備 鈷納米粒子的方法。
背景技術(shù)：
摻金屬粒子得到的復(fù)合材料是一種在光學(xué)、電子、抗菌以及催化等領(lǐng)域有著重 要作用的功能材料。早在公元4世紀(jì)，羅馬玻璃工人就懂得了在玻璃摻雜金、銀等金屬 顆粒，以制備出具有豐富、美麗色彩的玻璃制品。如今，隨著非線性光學(xué)的發(fā)展，尤其 自1983年美國科學(xué)家Jian和Lind研究了玻璃摻雜納米顆粒后的三階非線性性能之后，人 們對(duì)玻璃中摻金屬粒子的研究開始偏重于其光學(xué)性能方面。當(dāng)金屬納米粒子被摻入玻璃 時(shí)，玻璃基質(zhì)將粒子彼此隔離開，形成量子點(diǎn)，可使得電子的局域性和相干性增強(qiáng)，引 起量子限域效應(yīng)。同時(shí)，當(dāng)金屬納米粒子的尺寸遠(yuǎn)小于光場波長時(shí)，作用于粒子上的電 場也明顯不同于周圍的介質(zhì)宏觀場，其極化過程將改變局域的介電常數(shù)，從而產(chǎn)生介電 限域效應(yīng)。這些效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致玻璃的非線性光學(xué)性能的顯著提高，使具有非線性光學(xué)性 能的材料在光存儲(chǔ)、傳輸和開關(guān)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用優(yōu)勢，如與電子開關(guān)器件相比， 全光光子開關(guān)器件具有開關(guān)時(shí)間短、節(jié)能以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，將是未來光電設(shè)備的重要 組成部件。目前，在玻璃體中制備均勻分布的金屬納米粒子已成為國際物理、化學(xué)界的一 個(gè)重要努力方向。常用的制備方法有熔融法、離子注入法以及溶膠凝膠法等，這些工 藝相對(duì)比較成熟。但是，這些方法也都存在著一些不足之處，如熔融法需要將金屬鹽與 玻璃料混合后在高溫下進(jìn)行熔融，由于玻璃體系的粘度較大，金屬顆粒要在玻璃基質(zhì)中 實(shí)現(xiàn)均勻分散不是件容易的事情；離子注入法是將金屬以離子形式注入到玻璃基質(zhì)中， 再通過熱處理得到金屬納米粒子，這種方法需要使用昂貴的離子注入設(shè)備，并且注入深 度有限，金屬納米粒子只能分布在玻璃基質(zhì)表面；還有一種方法是利用溶膠凝膠法在 制備玻璃的同時(shí)將含有金屬鹽的溶液與玻璃溶膠混合，通過后處理能夠得到含有金屬納 米粒子的玻璃，金屬納米粒子的分散也相對(duì)比較均勻，但是這種方法制備玻璃的周期較 長，且玻璃樣品的強(qiáng)度較低，達(dá)不到實(shí)用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，依據(jù) 本發(fā)明提供的方法可使鈷納米粒子在玻璃體中制備時(shí)分布比較均勻。本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，包括 下述步驟 1)選取多孔玻璃；2)將鈷化合物溶于溶劑中，配制成濃度范圍在lmol/L 1 X lO^mol/L的溶液 中；
3)將多孔玻璃放入步驟2)配制的溶液中，浸泡0.5h以上，利用分子的平衡性 能，使溶液均勻、分散滲入到多孔玻璃的微孔中；4)將步驟3)中獲得的多孔玻璃放入加熱爐中加熱，保溫一段時(shí)間后冷卻到室 溫，即可在多孔玻璃中制得均勻分布的鈷納米粒子。上述步驟可重復(fù)進(jìn)行。優(yōu)選地，本發(fā)明所述多孔玻璃選用高硅氧玻璃，其主要成分的重量百分比為 Si0294.0 98.0%，B2031.0 3.0%，Al2031.0 3.0%，還可選用加有 Na2O 0 1 %， ZrO2O 的多孔玻璃，所述多孔玻璃孔徑大小為4 100納米，微孔的體積占玻璃總體積的25 40%，以保證鈷化合物在多孔玻璃上均勻的分布。所述的鈷的化合物優(yōu)選為硝酸鈷；所述的溶劑優(yōu)選為質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉、成本低的水和乙醇。進(jìn)一步地，所述浸泡步驟后、加熱步驟前，還可設(shè)置清洗或/和干燥程序，即 浸泡完畢后取出多孔玻璃，對(duì)多孔玻璃表面殘留的化合物進(jìn)行清洗后干燥，以避免后續(xù) 加熱工藝步驟中可能產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象，其干燥溫度為60°C 90°C的，干燥時(shí)間2h 3h ；進(jìn)一步地，所述步驟4)之加熱是在真空或是還原氣氛環(huán)境下進(jìn)行，所述還原氣 氛環(huán)境，即在加熱爐內(nèi)存在的CO或H2或風(fēng)與H2的混合氣。該步驟用以保證將鈷化合 物的高溫分解產(chǎn)物還原得到鈷單質(zhì)。更進(jìn)一步地，所述多孔玻璃于加熱爐中加熱時(shí)，以2°C 3°C/min的速率升溫到 400°C 700°C，保溫Ih 5h后冷卻到室溫。實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明采用等差速率遞增方式 升溫并采用一定的時(shí)間保溫，既可保證鈷的化合物的充分分解，使鈷納米粒子以固相穩(wěn) 定地存在于微孔中，同時(shí)能有效避免急速及過高的溫度而導(dǎo)致的多孔玻璃開裂和變形之 缺陷。綜上，本發(fā)明提供了一種以多孔玻璃為載體制備鈷納米粒子的方法，由于多孔 玻璃具有彼此隔離的納米級(jí)微孔，在微孔中制備鈷納米粒子，可以有效的限制粒子的尺 寸，其工藝參數(shù)的設(shè)置可使鈷納米粒子在玻璃中具有良好的分散性，分布比較均勻。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明， 并不用于限定本發(fā)明。實(shí)施例1 配制濃度為lmol/L的硝酸鈷水溶液IOmL,將多孔高硅氧玻璃(主要成分的重 量百分比Si0294.0%, B2O3S-O%, Al2O3S-O%,孔徑大小為4納米，微孔的體積占玻璃 總體積的40%)放到硝酸鈷水溶液中浸泡0.5h，使溶液充分進(jìn)入多孔玻璃的微孔中，然 后將多孔玻璃放到管式爐中，通CO氣體，并開始以;TC/min的速率升溫到400°C，保溫 5h后冷卻至室溫，即在多孔玻璃中制備出鈷納米粒子。實(shí)施例2:配制濃度為lXli^mol/L的硝酸鈷水溶液10mL，將多孔高硅氧玻璃(主要成分的重量百分比Si0298.0%, B2031.0%，Al2O31-0%,孔徑大小為100納米，微孔的體 積占玻璃總體積的25%)放到硝酸鈷水溶液中浸泡Ih;取出多孔玻璃，放到60°C的烘箱 干燥3h，然后將多孔玻璃放到管式爐中，通H2氣體，并開始以2°C/min的速率升溫到 450保溫4h后冷卻至室溫，即在多孔玻璃中制備出鈷納米粒子。實(shí)施例3 配制濃度為lX10_2mol/L的硝酸鈷水溶液10mL，將多孔高硅氧玻璃(主要成 分的重量百分比Si0295.0%，B2032.5%, Al2032.5%,孔徑大小為50納米，微孔的體 積占玻璃總體積的30% )放到硝酸鈷水溶液中浸泡Ih ；取出多孔玻璃，用蒸餾水沖洗2 次，然后將多孔玻璃放到管式爐中，通N2和H2體積比為95 5的混合氣體，并開始以 3°C/min的速率升溫到700°C，保溫2h后冷卻至室溫，即在多孔玻璃中制備出鈷納米粒 子。

實(shí)施例4 配制濃度為lmol/L的硝酸鈷水溶液IOmL,將多孔高硅氧玻璃(主要成分的重 量百分比Si0294.0%, B2O3S-O%, Al2O3S-O%,孔徑大小為4納米，微孔的體積占玻璃 總體積的40%)放到硝酸鈷水溶液中浸泡0.5h，使溶液充分進(jìn)入多孔玻璃的微孔中；取 出多孔玻璃，用蒸餾水沖洗3次，并放到80°C的烘箱干燥2h;然后將多孔玻璃放到管式 爐中，通CO氣體，并開始以3°C/min的速率升溫到400°C，保溫5h后冷卻至室溫，即 在多孔玻璃中制備出鈷納米粒子。實(shí)施例5 配制濃度為lXli^mol/L的硝酸鈷水溶液10mL，將多孔高硅氧玻璃(主要成 分的重量百分比Si0298.0%, B2031.0%，Al2O31-0%,孔徑大小為100納米，微孔的體
積占玻璃總體積的25% )放到硝酸鈷水溶液中浸泡Ih ；取出多孔玻璃，用蒸餾水沖洗3 次，并放到60°C的烘箱干燥3h;然后將多孔玻璃放到管式爐中，通CO氣體，并開始以 2°C/min的速率升溫到450°C，保溫4h后冷卻至室溫，即在多孔玻璃中制備出鈷納米粒 子。實(shí)施例6 配制濃度為lX10_2mol/L的硝酸鈷水溶液10mL，將多孔高硅氧玻璃(主要成 分的重量百分比Si0295.0%，B2032.5%, Al2032.5%,孔徑大小為50納米，微孔的體 積占玻璃總體積的30% )放到硝酸鈷水溶液中浸泡Ih ；取出多孔玻璃，用蒸餾水沖洗3 次，并放到70°C的烘箱干燥2.5h;然后將多孔玻璃放到管式爐中，通風(fēng)和壓體積比為 95 5的混合氣體，并開始以3°C/min的速率升溫到700°C，保溫2h后冷卻至室溫，即 在多孔玻璃中制備出鈷納米粒子。實(shí)施例7:配制濃度為1 X 10_3mol/L的硝酸鈷水溶液10mL，將多孔高硅氧玻璃(主要成分 的重量百分比Si0296.0%，B2O32.0%, Al2O32.0%,孔徑大小為70納米，微孔的體積 占玻璃總體積的35%)放到硝酸鈷水溶液中浸泡1.5h;取出多孔玻璃，用蒸餾水沖洗3 次，并放到80°C的烘箱干燥3h;然后將多孔玻璃放到管式爐中，通氏氣體，并開始以 2°C/min的速率升溫到500°C，保溫3h后冷卻至室溫，即在多孔玻璃中制備出鈷納米粒 子。
實(shí)施 例8 配制濃度為1 X 10_4mol/L的硝酸鈷乙醇溶液10mL，將多孔高硅氧玻璃(主要成 分的重量百分比Si0297.0%, B2031.0%，Al2O3LO%, Na2O 0.5%, Zr020.5%,孔徑大
小為80納米，微孔的體積占玻璃總體積的32%)放到硝酸鈷乙醇溶液中浸泡2h;取出多 孔玻璃，用乙醇沖洗3次，并放到90°C的烘箱干燥3h;然后將多孔玻璃放到管式爐中， 通N2和H2體積比為95 5的混合氣體，并開始以3°C/min的速率升溫到650°C，保溫 Ih后冷卻至室溫。將上述操作步驟重復(fù)3次，即在多孔玻璃中制備出鈷納米粒子。實(shí)施例9 配制濃度為1 X 10_6mol/L的硝酸鈷乙醇溶液10mL，將多孔高硅氧玻璃(主要成 分的重量百分比Si0296.0%, B2031.0%，Al2O3LO%, Na2O 1.0%, ZrO21.0%,孔徑大
小為55納米，微孔的體積占玻璃總體積的38%)放到硝酸鈷乙醇溶液中浸泡2h;取出多 孔玻璃，用乙醇沖洗3次，并放到80°C的烘箱干燥3h;然后將多孔玻璃放到管式爐中， 通N2和H2體積比為95 5的混合氣體，并開始以3°C/min的速率升溫到550°C，保溫 4h后冷卻至室溫。將上述操作步驟重復(fù)5次，即在多孔玻璃中制備出鈷納米粒子。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的 精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，其特征在于，包括下述步驟1)選取多孔玻璃；2)將鈷化合物溶于溶劑中，配制成濃度范圍在lmol/L IX10_6mOl/L的溶液中；3)將多孔玻璃放入步驟2)配制的溶液中，浸泡0.5h以上；4)將步驟3)中獲得的多孔玻璃放入加熱爐中加熱，保溫一段時(shí)間后冷卻到室溫，即 可在多孔玻璃中制得均勻分布的鈷納米粒子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，其特征在于，所 述多孔玻璃主要成分的重量百分比為Si0294.0 98.0%，B2O3I-O ~ 3.0%, Al2O3I-O 3.0%, Na2O O 1%，ZrO2O 1%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，其特征在于，所 述多孔玻璃孔徑大小為4 100納米，微孔的體積占玻璃總體積的25 40%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，其特征在于，所 述的鈷的化合物優(yōu)選為硝酸鈷；所述的溶劑優(yōu)選為水和乙醇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，其特征在于，所 述步驟3)之浸泡步驟后后、步驟4)之加熱步驟前，還包括清洗或/和干燥程序，所述干 燥溫度為60°C 90°C，干燥時(shí)間2h 3h ；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，其特征在于，所 述步驟4)之加熱在真空或還原氣氛環(huán)境下進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，其特征在于，所 述還原氣氛環(huán)境為加熱爐內(nèi)存在CO或H2或N2與H2的混合氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，其特征在 于，所述多孔玻璃于加熱爐中加熱時(shí)，以2°C 3°C/min的速率升溫到400°C 700°C， 保溫Ih 5h后冷卻到室溫。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，包括下述步驟1)選取多孔玻璃；2)將鈷化合物溶于溶劑中，配制成濃度范圍在1mol/L～1×10-6mol/L的溶液中；3)將多孔玻璃放入步驟2)配制的溶液中，浸泡0.5h以上，使溶液充分滲入到多孔玻璃的微孔中；4)將步驟3)中獲得的多孔玻璃放入加熱爐中加熱，保溫一段時(shí)間后冷卻到室溫，即可在多孔玻璃中制得均勻分布的鈷納米粒子。本發(fā)明提供的在多孔玻璃中制備鈷納米粒子的方法，可以有效的限制粒子的尺寸，其工藝參數(shù)的設(shè)置可使鈷納米粒子在玻璃中具有良好的分散性，分布比較均勻。
文檔編號(hào)C03C3/06GK102020424SQ20091019040
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者周明杰, 陸樹新, 馬文波 申請(qǐng)人:海洋王照明科技股份有限公司