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清华材料学院成功研发卷对卷电沉积装置控制合成金属基纳米材料
2020-09-29 10:03:00
清华大学
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  近日,清华大学材料学院伍晖副教授课题组开发出一种全新的纳米颗粒制备技术,首次提出利用高速旋转卷对卷装置控制纳米颗粒的生长过程,成功实现了金属单质、合金和金属氧化物等多种材质的纳米颗粒制备,为金属纳米粉末的合成提供了新思路和新机遇。

  金属纳米颗粒的可控合成对基础科学研究以及实际工业应用都十分重要。目前常用的合成金属纳米颗粒的方法为化学还原法,实际工业生产中金属块体材料到金属纳米材料的加工过程需要经历金属块体溶解为金属盐以及金属盐还原成为纳米材料这两个步骤,需要使用大量试剂和表面活性剂,并且会产生大量的固体和液体废料。一种绿色的、可控的、可大规模生产高质量金属纳米颗粒的技术对于工业应用以及可持续发展十分重要。

卷对卷电沉积装置工作示意图(上图)以及装置实物照片(下图)

  伍晖课题组成功开发了一种将电沉积与剥离技术结合的连续旋转电镀(Rotating Electrodeposition and Separation, REDS)合成装置,该装置利用电化学还原过程将纳米颗粒沉积在连续旋转的基底表面,之后通过机械剥离的方法获得分散的金属纳米材料。REDS技术提供了一种可控的、可规模化、绿色低成本制备高质量纳米颗粒的新方法。在REDS方法中,高速旋转的过程可以控制材料的形核生长,为控制纳米材料的尺寸和形貌提供了一种新思路。该方法适用于合成多种不同的金属基纳米材料,包括金属单质纳米颗粒(如Ag、Au、Ni、Cu)、合金纳米颗粒(如FeCoNi和FeCoNiW)和金属氧化物纳米材料(如Co3O4)。通过进一步控制电沉积过程中金属原子的沉积条件,该方法还可以制备具有复杂结构的纳米材料,例如金属多面体、金属纳米片、金属枝晶和金属纳米花等结构。利用银球状纳米颗粒,可以制备性能优异的导电浆料,用于印刷近场通信标签和触摸屏面板等电子器件。将REDS方法替代传统的化学合成法制备银纳米颗粒,可以降低90%的工业加工成本,对于银纳米材料的工业应用具有极大的前景。

  此项工作在国际期刊《物质》(Matter)上发表了题为“Metal Nanoparticles Harvesting by Continuous Rotating-Electrodeposition and Separation”(连续卷对卷电沉积与剥离制备金属纳米颗粒)的研究论文,并申请国内和国际专利。

  论文的第一作者为清华大学材料学院的博士生黄雅和航天航空学院的博士生杨程,清华大学材料学院长聘副教授伍晖为论文的通讯作者。项目得到国家自然科学基金委基础科学中心项目支持。

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