專利名稱：一種金屬Mg納米顆粒材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術領域。特別涉及納米金屬材料，是一種具有較高的表面活 性、催化性能和儲氫性能的納米材料。
背景技術：
納米材料由于具有特有的小尺寸效應、表面特性和多種優(yōu)異的物理、化學性能，使其具 有廣泛的潛在應用前景。Mg納米顆粒具有較高的表面活性，因而是優(yōu)異的還原劑、催化劑材 料，同時還是性能優(yōu)異的儲氫材料，因此具有廣泛的應用前景。同時鎂資源豐富、成本低廉， 使Mg納米顆粒材料具有顯著的實用價值。納米鎂顆粒的形貌會對其表面吸附性能有顯著影 響，因而開發(fā)出能低成本地制備顆粒形貌好、尺寸均勻，分散性良好的金屬Mg納米顆粒材料 的方法具有重要意義。目前金屬Mg納米顆粒材料主要真空蒸發(fā)法、蒽鎂分解法、催化法和氫 等離子金屬反應法等方法制備。這些制備方法各有特色和優(yōu)點，但也有一些不足，如顆粒形 貌不好、尺寸大，或工藝復雜，或成本高等問題。本申請人于2007年6月15日提出的專利 申請"200710118934.5， 一種Fe304納米顆粒的制備方法"，其中公開了在非真空條件下，在 水介質中，采用電弧放電、純鐵陽極自耗制備Fe304納米顆粒的方法，該方法適合于Fe304 納米顆粒的制備。目前為止，未見在非真空條件下、在液氮介質中利用電弧放電法制備Mg納 米顆粒的報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術的缺陷，提出一種成本低、操作簡便的金屬Mg納米顆粒 材料的制備方法。本發(fā)明中合成金屬Mg納米顆粒的原理是采用工業(yè)純鎂為陽極，采用光譜 純石墨棒為陰極，在陰極石墨棒一端的中心部位開同心內孔，將電極置于液氮中，將鎂陽極 棒置于陰極內孔中，利用電弧放電使鎂棒氣化獲得鎂原子(包括鎂離子)，并利用置于液氮溶 液中，石墨內孔形成的氣態(tài)鎂環(huán)境，和利用液氮提供的低溫環(huán)境，合成Mg納米顆粒。在合適 的工藝參數條件下，合成出不同形貌、尺寸均勻的晶態(tài)金屬Mg納米顆粒。
本發(fā)明的特征在于，是在液氮介質中，采用電弧放電、純鎂陽極自耗制備Mg納米顆粒， 含有以下步驟
1)將放電電極置于容器中，在容器中先加入無水乙醇，加入量為能覆蓋容器底部，并保持
無水乙醇液面距容器底部2 — 5 mm,然后加入液氮，并使液氮的液面高于電極中軸線30 一50mm;電極陰極采用石墨棒，陽極采用純Mg棒，在所述石墨棒的端面開有內孔，該內 孔的孔徑比陽極直徑大l一6mm，孔深為6 — 16 mm;
2) 將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接；
3) 將陰極和陽極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離，并且陽極置于陰極端部的內孔，啟動 直流電源，使電極開始起弧放電，合成納米Mg顆粒；其中，直流電源的放電電流為10 120 A，電流密度為0.35 4.2A/mm2，放電電壓為14 22V;
4) 停止電弧放電，收集容器內混于無水乙醇中的合成產物納米Mg顆粒。
在所述第4)步，在停止電弧放電后，在容器中液氮表面覆蓋一層無水乙醇溶液，形成無 水乙醇薄層。
在所述第3)步中，利用歩進電機進行陽極供給，使得能夠連續(xù)合成納米Mg顆粒。 其特征在于，采用自反饋系統對所述步進電機自動供給陽極的速度進行控制；所述自反 饋系統含有控制電路和步進電機控制器；所述陰極和陽極分別用夾持器固定，所述控制電路 的檢測信號輸入端分別連接所述陰極和陽極的夾持器，所述步進電機控制器的控制信號輸入 端連接控制電路的輸出端，步進電機控制器的控制信號輸出端連接所述歩進電機的控制信號 輸入端。
試驗證明，在非真空條件下，采用液氮介質中電弧放電、純鎂陽極自耗方法制備出尺寸 均勻可控、具有多種優(yōu)異性能的金屬Mg納米顆粒。這種制備方法設備簡單、工藝參數可控。 制備所需原材料為工業(yè)純鎂棒，原材料豐富、成本低?？芍苽浞且?guī)則片狀、六方片狀、六方 燈籠狀、近六方體狀和球形或近球形狀Mg納米顆粒、尺寸范圍為20—180nm，顆粒無其它污染。


圖l為制備裝置示意圖2a為陰極端面的封閉孔的示意圖；圖2b為電極放置位置示意圖； 圖3為實施例l合成的Mg納米顆粒幾何形貌圖及相應的電子衍射花樣； 圖4(a)、 4(b)為實施例2合成的Mg納米顆粒的掃描電子顯微鏡(SEM)相貌像和透射電子顯
微鏡(TEM)明場像及Mg顆粒的電子衍射花樣；幾何形貌圖及相應的電子衍射花樣；
圖5(a)、 5(b)為實施例3合成的Mg納米顆粒的幾何形貌圖(透射電子顯微鏡明場像)及
Mg顆粒的電子衍射花樣；
圖6為實施例4合成的Mg納米顆粒的幾何形貌圖(透射電子顯微鏡明場像)及Mg顆粒的電 子衍射花樣插圖7為實施例5合成的Mg納米顆粒的幾何形貌圖(透射電子顯微鏡明場像)； 圖8為實施例6合成的Mg納米顆粒的幾何形貌圖幾何形貌圖(透射電子顯微鏡明場像) 及Mg顆粒的電子衍射花樣插圖9為實施例7合成的Mg納米顆粒的幾何形貌圖(透射電子顯微鏡明場像)； 圖10為實施例8合成的Mg納米顆粒的幾何形貌圖(透射電子顯微鏡明場像)； 圖ll為實施例9合成的Mg納米顆粒的幾何形貌圖(透射電子顯微鏡明場像)； 圖12為實施例10合成的Mg納米顆粒的幾何形貌圖(透射電子顯微鏡明場像)。
具體實施例方式
本發(fā)明采用的制備裝置見圖l，包括直流輸出電源、電弧放電裝置、容器等，電弧放電裝 置中，通過歩進電機進行陽極供給，步進電機接受步進電機控制器的控制，控制電路用于監(jiān) 測陰、陽極的給進速度，以便控制器及時調整給進速度。采用自反饋系統對歩進電機自動供
給陽極的速度進行控制；自反饋系統含有控制電路和步進電機控制器；陰極和陽極分別用夾 持器固定，控制電路的檢測信號輸入端分別連接陰極和陽極的夾持器，步進電機控制器的控 制信號輸入端連接控制電路的輸出端，歩進電機控制器的控制信號輸出端連接步進電機的控 制信號輸入端。
將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器底部加入少量無水乙醇，加入量為能覆 蓋容器底部、并保持液面距容器底部約2 — 5 mm以上的深度，其作用是讓合成的納米鎂顆粒 在液氮揮發(fā)后融入無水乙醇中，以免和空氣接觸被氧化。然后再加入液氮，液氮液面高度高 于電極中軸線約30 — 50隱以上。
電極材料的陽極為消耗材料，采用工業(yè)純鎂棒；陰極采用光譜純石墨棒，直徑約為陽極 的2倍。陰極一端端面開同心內孔，內孔直徑約比陽極直徑大1一6 mm，孔深約6 — 17 mm。將 陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。如圖2 (a)、 (b)所示，在陰極的端面開有 同心內孔，在合成納米鎂顆粒材料時，鎂陽極棒置于陰極內孔中，陽極側面與陰極間不產生 電弧。陽極前端與陰極內孔端部產生電弧，如圖2所示。這種合成方法一方面可以防止氧氣混 入電弧區(qū)產生氧化， 一方面可形成一定壓力環(huán)境，有利于納米鎂顆粒的合成。
操作步驟如下
1、設置電源的輸出電流和輸出電壓，設置歩進電機的進給速度。2、 啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、并 起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn)定 性，連續(xù)合成納米Mg納米顆粒。鎂陽極棒置于陰極內孔中，而且電極全部浸埋在液氮中，這 樣可以防止混入氧氣，防止氧化，并形成一定壓力，有利于納米鎂顆粒合成。而周圍的液氮 環(huán)境有利于快速冷卻，合成納米鎂顆粒。
3、 停止電弧放電，收集酒精中的納米顆粒產物。或利用酒精流將產物帶至產物收集器中收集。
4、 不同工藝參數，產物的尺寸、幾何形態(tài)、產量均不同。工藝參數范圍約為供給放電電流
10 — 120 A，放電電流密度0.35 — 4.2 A/隱2;供給放電電壓14—22 V。 實例分析
1.低電流條件下合成的Mg納米顆粒
1) .采用圖l所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保 持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30 — 50mm。
2) .電極材料陰極采用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為9. 5±0. 5mm，深 約14士1瞧；陽極采用直徑約為6 mm的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流為10A，放電電流密度0.35 A/mm2，輸出電壓約為21V。 設置歩進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置自動進給陽極，進給速度為能保持電弧連續(xù)放電和電弧的穩(wěn) 定性即可，進行連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，為防止氧化，在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和 液氮接觸后為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮 發(fā)后和溫度升至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無 水乙醇一起放入產物收集器中。
制備產物所制備的納米顆粒為Mg納米顆粒和MgO納米顆粒，其幾何形貌如圖3所示，(插 圖為相應的電子衍射花樣)，為Mg納米顆粒為六邊形、近六邊形、和近球形，尺寸分布范圍約 為20—90nm。顆粒厚度尺寸約為20 nm。產物中Mg納米顆粒占50X，其余為MgO納米顆粒。
2.平均粒徑約為60 nm的Mg納米顆粒的合成
1) .采用圖l所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保
持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30 — 50mm。
2) .電極材料陰極采用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為IO土O. 5鵬，深 約10土lmm;陽極采用直徑約為6 mm的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流為20A ，放電電流密度0.7 A/誦2，輸出電壓19V。 設置步進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和歩進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn) 定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后 為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升至室溫后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無水乙醇一起放入產物收 集器中。
制備產物所制備的產物基本上是Mg納米顆粒。多數Mg納米顆粒呈六邊形片狀，其幾何 形貌如圖4(a)和4(b)所示(圖4(a)為掃描電子顯微鏡照片，圖4 (b)為Mg納米顆粒的透射電 子顯微鏡明場像及其選區(qū)電子衍射花樣插圖)，可見多數納米顆粒的尺寸分布范圍約為30 一IOO nm，平均顆粒尺寸約為60nm。少部分納米Mg顆粒呈近球形形貌。
3平均粒徑約為50 nm的Mg納米顆粒的合成 1).采用圖l所示的設備裝置-直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保 持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30—50mra。
2) .電極材料陰極采用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為IO土O. 5mm，深 約10ilmm;陽極采用直徑約為6 mm的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流為20A ，放電電流密度0.7 A/mm2,輸出電壓18V。 設置步進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn) 定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后 為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升高至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無水乙醇一 起放入產物收集器中。
制備產物所制備的產物基本上是Mg納米顆粒。Mg納米顆粒呈六邊形片狀、近六邊形、 球形和近球形，其幾何形貌如圖5(a)和5(b)所示(圖5(a)和圖5 (b)為Mg納米顆粒的透射電 子顯微鏡明場像及選區(qū)電子衍射花樣插圖)，可見多數納米顆粒的尺寸分布范圍約為20—100 nm，平均顆粒尺寸約為50 nm。
4.平均尺寸約為150nm的Mg納米六方顆粒的合成
1) .采用圖l所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保
持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30 — 50咖。
2) .電極材料陰極采用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為ll土lmm，深約9 ±2隱；陽極采用直徑約為6 tnm的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流20A，放電電流密度0.7 A/mm2，輸出電壓21V。設置步進 電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn) 定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后 為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升高至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無水乙醇一 起放入產物收集器中。
制備產物所制備的產物主要是納米Mg顆粒，大部分為六邊形片狀顆粒，其幾何形貌如 圖6所示。Mg納米六方顆粒的電子衍射花樣如插圖所示，顆粒尺寸分布范圍約為100 — 250 nm。平均尺寸約為150nm。
5.放電電流密度為1.03 A/mm2的條件下合成的Mg納米顆粒
1) .采用圖l所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保
持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30—50mm。
2) .電極材料陰極采用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為IO. 5±0. 5咖， 深約12士1,;陽極采用直徑約為6國的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流30A ，放電電流密度1.03 A/畫2，輸出電壓19V。設置歩 進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn) 定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后
為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升高至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無水乙醇一 起放入產物收集器中。
制備產物產物主要是Mg納米顆粒，大部分Mg納米顆粒為六邊形片狀、近六邊形的顆粒和近
球形顆粒，其幾何形貌如圖7所示。Mg納米顆粒尺寸分布范圍約為20_120 nm。六邊形片 的厚度約為25nm。
6.放電電流密度為1.4 A/rrari2的條件下合成的Mg納米顆粒
1) .采用圖l所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保 持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30 — 50mm。
2) .電極材料陰極采用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為10±0.5mm，深 約lOilmm;陽極采用直徑約為6誦的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流40A ，放電電流密度1.4 A/腿2，輸出電壓18V。設 置步進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn) 定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后 為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升高至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無水乙醇一 起放入產物收集器中。
制備產物所制備產物主要是Mg納米顆粒，大部分Mg納米顆粒為接近六邊形的燈籠狀顆 粒和近球形顆粒，其形貌如圖8所示，其插圖為相應的選區(qū)電子衍射花樣。納米顆粒的尺寸分 布范圍約為30—120 nm。平均顆粒尺寸約為65nm。
7. 放電電流密度為3. 5 A/mm2的條件下合成的Mg納米顆粒
1) .采用圖l所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保 持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30 — 50mm。
2) .電極材料陰極采用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為IO土O. 5mni，深 約10土2咖；陽極采用直徑約為6 mm的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流100A ，放電電流密度3.5A/mm2，輸出電壓18V。設 置步進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn) 定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后 為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升高至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——-納米鎂顆粒，或和無水乙醇一 起放入產物收集器屮。
制備產物所制備產物主要是Mg納米顆粒、MgO納米顆粒，大部分Mg納米顆粒為形狀不 太規(guī)則的球形或近球形納米顆粒，部分為近六邊形的顆粒，MgO納米顆粒多為近球形顆粒，其 形貌如圖9所示，納米Mg顆粒的尺寸分布范圍約為10—90 nm。平均顆粒尺寸約為40r皿。
8. 非規(guī)則幾何形態(tài)Mg納米顆粒的合成 1).采用圖l所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保
持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30 — 50mm。2) .電極材料陰極采用直徑約為15國的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為ll土lmm，深約 10土lmm;陽極采用直徑約為6國的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流為10A ，放電電流密度0.35A/畫2，輸出電壓14一15V。 設置步進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn) 定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面t噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后 為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升高至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無水乙醇一 起放入產物收集器中。
制備產物所制備產物多為Mg納米顆粒，其幾何形貌主要為非規(guī)則片狀納米顆粒，其幾 何形貌如圖10所示尺寸分布范圍約為20—70 nm。平均顆粒尺寸約為40畫。此外，也有部分 六邊形、近六邊形和球形納米顆粒，平均尺寸約為40納米。
9.陰極內孔深度為15鵬條件下合成的Mg納米顆粒
1) .采用圖i所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保
持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30 — 50mm。
2) .電極材料陰極采用直徑約為15誦的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為8. 5±0. 5國，深 約15士lmm;陽極采用直徑約為6隱的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流20A ，放電電流密度0.7A/國2，輸出電壓18V。設置 步進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn)
定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6).停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后 為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升高至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無水乙醇一 起放入產物收集器中。
制備產物所制備產物主要是Mg納米顆粒顆粒，大部分Mg納米顆粒為接近六邊形的燈籠 狀顆粒和近球形顆粒，其形貌如圖S5所示，其插圖ll為相應的選區(qū)電子衍射花樣。納米顆粒 的尺寸分布范圍約為20—90 nm。
10.陰極內孔深度為16mm條件下合成的Mg納米顆粒
1) .采用圖l所示的設備裝置
直流輸出電源；
電弧放電裝置通過步進電機進行陽極供給；
容器將放電電極(陰極和陽極)置于容器中，在容器中先加入能覆蓋容器底部、并保
持液面距容器底部達約2 — 5 mm深度的無水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于電極中 軸線約30 — 50mm。
2) .電極材料陰極釆用直徑約為15mm的光譜純石墨棒，斷面封閉孔直徑約為9. 5±0. 5mm，深 約i6土l咖；陽極采用直徑約為6 mm的工業(yè)純鎂棒。
3) .將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接。
4) .設置電源的輸出參數放電電流40A ，放電電流密度1.4A/,2，輸出電壓18V。設置 步進電機的進給速度(采用自反饋系統，保持電壓穩(wěn)定)。
5) .啟動電源和步進電機控制系統，先快速進給使電極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離、 并起弧放電，然后利用控制裝置以合適的速度自動進給陽極，保持連續(xù)電弧放電和電弧的穩(wěn) 定性，連續(xù)合成Mg納米顆粒。
6) .停止電弧放電，取出容器，并在液氮液面上噴灑一層無水乙醇，無水乙醇和液氮接觸后 為粘稠狀，加入量為在液氮液體表面形成一層無水乙醇粘稠狀膜即可。待液氮揮發(fā)后和溫度 升高至無水乙醇為流體后，收集混于無水乙醇中合成產物——納米鎂顆粒，或和無水乙醇一 起放入產物收集器中。
制備產物所制備產物主要是Mg納米顆粒顆粒，大部分Mg納米顆粒為接近六邊形的燈籠狀 顆粒和近球形顆粒，其形貌如圖12所示，納米顆粒的尺寸分布范圍約為30—100咖。
權利要求
1、一種金屬Mg納米顆粒材料的制備方法，其特征在于，是在液氮介質中，采用電弧放電、純鎂陽極自耗制備Mg納米顆粒，含有以下步驟1)將放電電極置于容器中，在容器中先加入無水乙醇，加入量為能覆蓋容器底部，并保持無水乙醇液面距容器底部2-5mm，然后加入液氮，并使液氮的液面高于電極中軸線30-50mm；電極陰極采用石墨棒，陽極采用純Mg棒，在所述石墨棒的端面開有內孔，該內孔的孔徑比陽極直徑大1-6mm，孔深為6-16mm；2)將陰極和陽極分別與直流電源的負極和正極相連接；3)將陰極和陽極移動至能發(fā)生電弧放電的起弧距離，并且陽極置于陰極端部的內孔，啟動直流電源，使電極開始起弧放電，合成納米Mg顆粒；其中，直流電源的放電電流為10～120A，電流密度為0.35～4.2A/mm2，放電電壓為14～22V；4)停止電弧放電，收集容器內混于無水乙醇中的合成產物納米Mg顆粒。
2、 如權利要求l所述的金屬Mg納米顆粒材料的制備方法，其特征在于，在所述第4)步，在停 止電弧放電后，在容器中液氮表面覆蓋一層無水乙醇溶液，形成無水乙醇薄層。
3、 如權利要求l所述的金屬Mg納米顆粒材料的制備方法，其特征在于，在所述第3)歩中，利 用步進電機進行陽極供給，使得能夠連續(xù)合成納米Mg顆粒。
4、 如權利要求3所述的金屬Mg納米顆粒材料的制備方法，其特征在于，采用自反饋系統對所 述歩進電機自動供給陽極的速度進行控制；所述自反饋系統含有控制電路和步進電機控制器; 所述陰極和陽極分別用夾持器固定，所述控制電路的檢測信號輸入端分別連接所述陰極和陽 極的夾持器，所述歩進電機控制器的控制信號輸入端連接控制電路的輸出端，步進電機控制 器的控制信號輸出端連接所述步進電機的控制信號輸入端。
全文摘要
一種金屬Mg納米顆粒材料的制備方法屬于納米材料制備技術領域。其特征在于，是在非真空條件下，采用液氮介質中電弧放電、純鎂陽極自耗方法制備MgO納米顆粒，其中在陰極端面開有內孔，將陽極置于陰極端部的內孔，起弧放電，在氣流的作用下，將空氣卷入電弧放電反應區(qū)，為生成MgO提供氧原子，合成納米MgO顆粒。這種制備方法設備簡單、工藝參數可控。制備所需原材料為工業(yè)純鎂棒，原材料豐富、成本低?？芍苽浞且?guī)則片狀、六方片狀、六方燈籠狀、近六方體狀和球形或近球形狀Mg納米顆粒，顆粒無其它污染。
文檔編號B22F9/02GK101347840SQ20081011980
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月11日 優(yōu)先權日2008年9月11日
發(fā)明者姚可夫, 范肖凌 申請人:清華大學