专利名称：含铁纳米粒子的多孔玻璃及其制备方法
技术领域：
本发明涉及玻璃的制备领域，更具体地说，涉及一种含铁纳米粒子的多孔玻璃及 其制备方法。
背景技术：
掺金属粒子得到的复合材料是一种在光学、电子、抗菌以及催化等领域有着重要 作用的功能材料。早在公元4世纪，罗马玻璃工人就懂得了在玻璃掺杂金、银等金属颗粒， 制备出具有丰富、美丽色彩的玻璃制品。如今，随着非线性光学的发展，尤其自1983年美国 科学家Jian和Lind研究了玻璃掺杂纳米颗粒后的三阶非线性性能之后，人们对玻璃中掺 金属粒子的研究开始偏重于其光学性能方面。当金属纳米粒子被掺入玻璃时，玻璃基质将 粒子彼此隔离开，形成量子点，使得电子的局域性和相干性增强，引起量子限域效应。同时， 当金属纳米粒子的尺寸远小于光场波长时，作用于粒子上的电场也明显不同于周围的介质 宏观场，其极化过程将改变局域的介电常数，从而产生介电限域效应。这些效应都会导致玻 璃的非线性光学性能的显著提高，使具有非线性光学性能的复合材料在光存储、传输和开 关等领域有着重要的应用优势，例如与电子开关器件相比，全光光子开关器件具有开关时 间短、节能以及寿命长等优点，将成为未来光电设备的重要组成部件。目前，在玻璃基质中制备均勻分布的金属纳米粒子已成为国际物理、化学界的一 个重要努力方向。常用的制备方法有熔融法、离子注入法以及溶胶凝胶法等，这些工艺相 对比较成熟。但是，这些方法也都存在着一些不足之处，例如熔融法需要将金属盐与玻璃 料混合后在高温下进行熔融，由于玻璃体系的粘度较大，金属颗粒要在玻璃基质中实现均 勻分散不是件容易的事情；离子注入法是将金属以离子形式注入到玻璃基质中，再通过热 处理得到金属纳米粒子，这种方法需要使用昂贵的离子注入设备，并且注入深度有限，金属 纳米粒子只能分布在玻璃基质表面；还有一种方法是利用溶胶凝胶法在制备玻璃的同时将 含有金属盐的溶液与玻璃溶胶混合，通过后处理能够得到含有金属纳米粒子的玻璃，金属 纳米粒子的分散也相对比较均勻，但是这种方法制备玻璃，工艺复杂、生产周期较长，且玻 璃制品的强度较低，达不到实用的要求。
发明内容
本发明要解决的一技术问题在于，针对现有的含有金属纳米粒子的玻璃的制备方 法，金属纳米粒子在玻璃中的分散不均勻，或者工艺复杂、生产周期较长的缺点，提供一种 含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，其制备出的玻璃中的铁纳米粒子分布均勻，并且工 艺简单、制备方便。本发明要解决的又一技术问题在于，针对现有含有金属纳米粒子的玻璃，玻璃中 的金属纳米粒子分散不均勻的缺点，提供一种含铁纳米粒子的多孔玻璃，其采用上述制备 方法制作，玻璃中的铁纳米粒子分布均勻。本发明解决其技术问题所采用的一技术方案是提供一种含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，包括下述步骤步骤一将含铁离子的化合物溶解于溶剂中，配制成浓度范围在lmol/L 1 X 10_6mol/L的含铁离子的溶液；步骤二 将多孔玻璃放置于步骤一所配制的含铁离子的溶液中，充分浸泡后，得到 玻璃半成品；步骤三将步骤二所得到的玻璃半成品升温到150°C 550°C，保温Ih 5h，再冷 却到室温制备出所述含铁纳米粒子的多孔玻璃。在本发明所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法中，所述含铁离子的化合物 为硝酸铁或氯化铁；所述溶剂为水或乙醇。在本发明所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法中，所述步骤二为将多孔 玻璃放置于步骤一所配制的含铁离子的溶液中，浸泡0. 5h以上，然后取出多孔玻璃，用蒸 馏水清洗多孔玻璃，并放到80°C 120°C的烘箱中干燥2h 3h，得到所述玻璃半成品。在本发明所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法中，所述步骤三为将步骤 二所制得的玻璃半成品放入管式炉在还原气氛的环境下，以2°C 3°C /min的速率升温到 150°C 550°C，保温Ih 5h，再冷却到室温制备出所述含铁纳米粒子的多孔玻璃。在本发明所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法中，所述还原气氛为CO、H2、 或N2和H2的混合气体存在的气氛。在本发明所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法中，为了使多孔玻璃所含的 铁纳米粒子的含量增加，所述步骤一 三可重复进行。在本发明所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法中，所述多孔玻璃内分布有 微孔，微孔的孔径大小为4 100纳米，微孔的体积占玻璃总体积的25 40%。在本发明所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法中，所述多孔玻璃的原料的 主要成分，按重量份计算，包含Si0294 98份；B2O3I 3份；Al2O3I 3份；Na2O 0 1 份JrO2O 1份。本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是提供一种含铁纳米粒子的多 孔玻璃，采用如上所述的方法制备，包括多孔玻璃及其内分布的微孔，微孔的孔径大小为 4 100纳米，微孔的体积占玻璃总体积的25 40%，微孔内均勻分布有铁纳米粒子。在本发明所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃中，所述多孔玻璃的主要成分，按重量 份计算,包含:Si0294 98份；B2O3I 3份；Al2O3I 3份；Na2O 0 1份；ZrO2O 1份。实施本发明，具有如下有益效果本发明的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法， 采用分布有纳米级微孔的多孔玻璃，在微孔中制备出铁纳米粒子，能够有效的限制粒子的 尺寸，并使铁纳米粒子在玻璃中具有良好的分散性，其工艺简单、制备周期短、能够有效节 约生产成本；所制得的含铁纳米粒子的多孔玻璃，玻璃中的铁纳米粒子分布均勻，能够使玻 璃的非线性光学性能显著提高。
具体实施例方式下述实施例1 7中所采用的多孔玻璃，为已成型的多孔玻璃，可以实验室制作， 也可以直接使用市售的康宁公司Vycor系列多孔玻璃，其原料的主要成分，按重量份计算， 包含:Si0294 98份；B2O3I 3份；Al2O3I 3份；还可以含有其它成分，如=Na2O 0 1份；&020 1份；所制得的多孔玻璃内分布有微孔，微孔的孔径大小为4 100纳米，微孔 的体积占玻璃总体积的25 40%。实施例1 在室温环境下，将硝酸铁溶解于水中，配制浓度为lmol/L的硝酸铁水溶 液IOmL ；将多孔玻璃放到硝酸铁水溶液中浸泡0. 5h，取出多孔玻璃，用蒸馏水冲洗3次，并 放到80°C的烘箱干燥2h ；然后将多孔玻璃放到管式炉中，在管式炉中通入CO气体，开始以 2°C /min的速率升温到200°C，并保温3h，之后冷却至室温，制备出含铁纳米粒子的多孔玻璃。
实施例2 在室温环境下，将硝酸铁溶解于水中，配制浓度为1 X IO-1HioVL的硝酸 铁水溶液IOmL ；将多孔玻璃放到硝酸铁水溶液中浸泡lh，取出多孔玻璃，用蒸馏水冲洗3 次，并放到90°C的烘箱干燥2h ；然后将多孔玻璃放到管式炉中，在管式炉中通入H2气体，开 始以3°C /min的速率升温到150°C，并保温5h，之后冷却至室温，制备出含铁纳米粒子的多 孔玻璃。实施例3 在室温环境下，将氯化铁溶解于水中，配制浓度为lX10_2mOl/L的氯化 铁水溶液IOmL ；将多孔玻璃放到氯化铁水溶液中浸泡lh，取出多孔玻璃，用蒸馏水冲洗3 次，并放到100°C的烘箱干燥2h ；然后将多孔玻璃放到管式炉中，在管式炉中通入队和吐体 积比为95 5的混合气体，开始以3°C/min的速率升温到500°C，并保温2h，之后冷却至室 温，制备出含铁纳米粒子的多孔玻璃。实施例4 在室温环境下，将硝酸铁溶解于乙醇中，配制浓度为1 X 10_3mol/L的硝 酸铁乙醇溶液10mL，将多孔玻璃放到硝酸铁乙醇溶液中浸泡1. 5h，取出多孔玻璃，用蒸馏 水冲洗3次，并放到80°C的烘箱干燥3h ；然后将多孔玻璃放到管式炉中，在管式炉中通入 CO气体，开始以2V /min的速率升温到210°C，并保温3h，之后冷却至室温，制备出含铁纳 米粒子的多孔玻璃。实施例5 在室温环境下，将氯化铁溶解于水中，配制浓度为lX10_4mol/L的氯化 铁水溶液IOmL ；将多孔玻璃放到氯化铁水溶液中浸泡2h，取出多孔玻璃，用蒸馏水冲洗3 次，并放到120°C的烘箱干燥3h ；然后将多孔玻璃放到管式炉中，在管式炉中通入队和吐体 积比为95 5的混合气体，开始以3°C/min的速率升温到500°C，并保温lh，之后冷却至室 温，制备出含铁纳米粒子的多孔玻璃。实施例6 在室温环境下，将氯化铁溶解于水中，配制浓度为lX10_5mol/L的氯化 铁水溶液IOmL ；将多孔玻璃放到氯化铁水溶液中浸泡2h，取出多孔玻璃，用蒸馏水冲洗3 次，并放到85°C的烘箱干燥3h ；然后将多孔玻璃放到管式炉中，在管式炉中通入N2和H2体 积比为95 5的混合气体，开始以3°C/min的速率升温到550°C，并保温2h，之后冷却至室 温，制备出含铁纳米粒子的多孔玻璃；为了使多孔玻璃所含的铁纳米粒子的含量增加，可将 上述操作步骤重复3次。实施例7 在室温环境下，将硝酸铁溶解于水中，配制浓度为1 X 10_6mOl/L的硝酸 铁水溶液IOmL ；将多孔玻璃放到硝酸铁水溶液中浸泡2h，取出多孔玻璃，用蒸馏水冲洗3 次，并放到105°C的烘箱干燥3h ；然后将多孔玻璃放到管式炉中，在管式炉中通入队和吐体 积比为95 5的混合气体，开始以3°C/min的速率升温到450°C，并保温5h，之后冷却至室 温制备出含铁纳米粒子的多孔玻璃；为了使多孔玻璃所含的铁纳米粒子的含量增加，可将 上述操作步骤重复5次。
上述实施例1 7所制备出的含铁纳米粒子的多孔玻璃在多孔玻璃的微孔内均勻 分布有铁纳米粒子。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围 为准。
权利要求
一种含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，其特征在于，包括下述步骤步骤一将含铁离子的化合物溶解于溶剂中，配制成浓度范围在1mol/L～1×10 6mol/L的含铁离子的溶液；步骤二将多孔玻璃放置于步骤一所配制的含铁离子的溶液中，充分浸泡后，得到玻璃半成品；步骤三将步骤二所得到的玻璃半成品升温到150℃～550℃，保温1h～5h，再冷却到室温制备出所述含铁纳米粒子的多孔玻璃。
2.如权利要求1所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，其特征在于，所述含铁 离子的化合物为硝酸铁或氯化铁；所述溶剂为水或乙醇。
3.如权利要求1所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤 二为将多孔玻璃放置于步骤一所配制的含铁离子的溶液中，浸泡0. 5h以上，然后取出多 孔玻璃，用蒸馏水清洗多孔玻璃，并放到80°C 120°C的烘箱中干燥2h 3h，得到所述玻璃 半成品。
4.如权利要求1所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，其特征在于，所述步骤 三为将步骤二所制得的玻璃半成品放入管式炉在还原气氛的环境下，以2°C 3°C/min的 速率升温到150°C 550°C，保温1h 5h，再冷却到室温制备出所述含铁纳米粒子的多孔玻璃 ο
5.如权利要求4所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，其特征在于，所述还原 气氛为CO、H2、或N2和H2的混合气体存在的气氛。
6.如权利要求1所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，其特征在于，为了使多 孔玻璃所含的铁纳米粒子的含量增加，所述步骤一 三可重复进行。
7.如权利要求1所述的无机硅酸盐发光玻璃的制备方法，其特征在于，所述多孔玻璃 内分布有微孔，微孔的孔径大小为4 100纳米，微孔的体积占玻璃总体积的25 40%。
8.如权利要求1所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，其特征在于，所述多孔 玻璃的原料的主要成分，按重量份计算，包含Si0294 98份；B2O31 3份；Al2O31 3份； Na2O 0 1 份；ZrO2O 1 份。
9.一种含铁纳米粒子的多孔玻璃，采用如权利要求1所述的方法制备，其特征在于，包 括多孔玻璃及其内分布的微孔，微孔的孔径大小为4 100纳米，微孔的体积占玻璃总体 积的25 40%，微孔内均勻分布有铁纳米粒子。
10.如权利要求9所述的含铁纳米粒子的多孔玻璃，其特征在于，所述多孔玻璃的主 要成分，按重量份计算，包含:Si0294 98份；B2O3I 3份；Al2O31 3份；Na2O 0 1份; ZrO2O 1 份。
全文摘要
本发明涉及一种含铁纳米粒子的多孔玻璃及其制备方法，所述含铁纳米粒子的多孔玻璃的制备方法，包括下述步骤将含铁离子的化合物溶解于溶剂中，配制成浓度范围在1mol/L～1×10-6mol/L的含铁离子的溶液；将多孔玻璃放置于所配制的含铁离子的溶液中，充分浸泡后，得到玻璃半成品；将所得到的玻璃半成品升温到150℃～550℃，保温1h～5h，再冷却到室温制备出所述含铁纳米粒子的多孔玻璃。本发明还涉及了采用上述方法所制备的含铁纳米粒子的多孔玻璃。本发明的制备方法采用分布有纳米级微孔的多孔玻璃，在微孔中制备出铁纳米粒子，工艺简单、制备周期短；所制得的含铁纳米粒子的多孔玻璃，铁纳米粒子的分布均匀。
文档编号C03C3/06GK101993201SQ200910109550
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月10日 优先权日2009年8月10日
发明者周明杰, 陆树新, 马文波 申请人:海洋王照明科技股份有限公司