納米多孔金屬材料脫合金法的制備

納米多孔金屬材料與致密塊體金屬相比,內部存在大量的孔隙,使其具有諸多優異的特性,如密度小、比表面積大、光學性能以及電化學性能優異等,因而可用來制作過濾器、催化劑及催化劑載體、多孔電極等,成為新型多孔材料研究領域的熱點之一。納米多孔金屬材料的研制成功,開拓了多孔金屬新的應用領域,而研發出高效率制備納米多孔金屬材料的方法,成為該材料得以拓寬其應用前景的前提和基礎。目前,一種很有希望的制備方法,即脫合金法正在引起人們的關注。

所謂“脫合金法”,就是運用選擇性化學或電化學腐蝕原理,在合金組元間電極電位相差較大的情況下,讓合金中電化學性質較活潑的元素在電解質的作用下選擇性地溶解進入電解液而留下電化學性質較穩定元素,剩余的成分即可形成多孔的微觀結構。

脫合金法制備的納米多孔金屬具有連續的網絡結構,在微觀上具有納米尺度的均勻性,孔徑尺寸和骨架相顆粒直徑尺寸均為納米級。其開放性納米多孔結構和連續三維網絡賦予該材料獨特的物理化學性能,使其具有極高的比表面積和孔隙率,是十分理想的催化劑。納米多孔金屬也是良好的催化劑載體,可以在其表面鍍覆貴金屬??讖叫∮?納米的多孔貴金屬在電催化、傳感器等領域具有顯著優勢,高的表面積對表面點的結合是非常有利的。

采用脫合金法,讓一種或者幾種活性較高的元素被選擇溶解,使得合金處于不穩定狀態,余下較惰性的金屬原子將重新排列成互相交錯的多孔網狀結構。比如,用脫元素法制備納米多孔鎳,就是通過選擇溶解鎳合金中比Ni活潑的元素,留下惰性的Ni元素自組裝成開口的納米多孔結構。實驗表明,納米孔的存在增加了Ni基材料的比表面積;而且,脫合金后納米孔表面粗糙,存在很多小臺階,臺階邊緣位置存在大量懸鍵,可通過電子和原子吸附反應物,其催化活性遠遠高于常規骨架Ni催化劑。已有工作表明,納米多孔Ni基合金薄膜孔結構非常均勻,很適用于相分離、熱交換、光柵等過濾領域,還可用作固體氧化物燃料電池的陽極或固體電解質的載體。

Ni基非晶合金具有成分均勻、各向同性、相結構簡單等特點,因此,以Ni基非晶為初始合金通過脫合金法可以獲得孔分布均勻的納米多孔Ni催化劑。目前,這方面的研究正成為熱點。

另外,作為脫合金法中的方法之一,“脫相法”可以從兩相或者多相合金中脫出較活潑的相來獲得多孔材料。其基本原理是:合金中各相的電化學活性不同,在對材料進行陽極極化時,活性高的相優先溶解而活性低的相仍保留在基體中。比如,Ni基高溫合金由有序結構的γ’相以共格方式鑲嵌在立方結構γ基體相中。借助電化學方法將其中一相進行選擇性溶解,結果可得到多孔結構,其中含有大多為幾百納米寬的互通孔道。

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