专利名称：一种金属Mg纳米颗粒材料的制备方法
技术领域：
本发明属于纳米材料制备技术领域。特别涉及纳米金属材料，是一种具有较高的表面活 性、催化性能和储氢性能的纳米材料。
背景技术：
纳米材料由于具有特有的小尺寸效应、表面特性和多种优异的物理、化学性能，使其具 有广泛的潜在应用前景。Mg纳米颗粒具有较高的表面活性，因而是优异的还原剂、催化剂材 料，同时还是性能优异的储氢材料，因此具有广泛的应用前景。同时镁资源丰富、成本低廉， 使Mg纳米颗粒材料具有显著的实用价值。纳米镁颗粒的形貌会对其表面吸附性能有显著影 响，因而开发出能低成本地制备颗粒形貌好、尺寸均匀，分散性良好的金属Mg纳米颗粒材料 的方法具有重要意义。目前金属Mg纳米颗粒材料主要真空蒸发法、蒽镁分解法、催化法和氢 等离子金属反应法等方法制备。这些制备方法各有特色和优点，但也有一些不足，如颗粒形 貌不好、尺寸大，或工艺复杂，或成本高等问题。本申请人于2007年6月15日提出的专利 申请"200710118934.5， 一种Fe304纳米颗粒的制备方法"，其中公开了在非真空条件下，在 水介质中，采用电弧放电、纯铁阳极自耗制备Fe304纳米颗粒的方法，该方法适合于Fe304 纳米颗粒的制备。目前为止，未见在非真空条件下、在液氮介质中利用电弧放电法制备Mg纳 米颗粒的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出一种成本低、操作简便的金属Mg纳米颗粒 材料的制备方法。本发明中合成金属Mg纳米颗粒的原理是采用工业纯镁为阳极，采用光谱 纯石墨棒为阴极，在阴极石墨棒一端的中心部位开同心内孔，将电极置于液氮中，将镁阳极 棒置于阴极内孔中，利用电弧放电使镁棒气化获得镁原子(包括镁离子)，并利用置于液氮溶 液中，石墨内孔形成的气态镁环境，和利用液氮提供的低温环境，合成Mg纳米颗粒。在合适 的工艺参数条件下，合成出不同形貌、尺寸均匀的晶态金属Mg纳米颗粒。
本发明的特征在于，是在液氮介质中，采用电弧放电、纯镁阳极自耗制备Mg纳米颗粒， 含有以下步骤
1)将放电电极置于容器中，在容器中先加入无水乙醇，加入量为能覆盖容器底部，并保持
无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电极中轴线30 一50mm;电极阴极采用石墨棒，阳极采用纯Mg棒，在所述石墨棒的端面开有内孔，该内 孔的孔径比阳极直径大l一6mm，孔深为6 — 16 mm;
2) 将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接；
3) 将阴极和阳极移动至能发生电弧放电的起弧距离，并且阳极置于阴极端部的内孔，启动 直流电源，使电极开始起弧放电，合成纳米Mg颗粒；其中，直流电源的放电电流为10 120 A，电流密度为0.35 4.2A/mm2，放电电压为14 22V;
4) 停止电弧放电，收集容器内混于无水乙醇中的合成产物纳米Mg颗粒。
在所述第4)步，在停止电弧放电后，在容器中液氮表面覆盖一层无水乙醇溶液，形成无 水乙醇薄层。
在所述第3)步中，利用歩进电机进行阳极供给，使得能够连续合成纳米Mg颗粒。 其特征在于，采用自反馈系统对所述步进电机自动供给阳极的速度进行控制；所述自反 馈系统含有控制电路和步进电机控制器；所述阴极和阳极分别用夹持器固定，所述控制电路 的检测信号输入端分别连接所述阴极和阳极的夹持器，所述步进电机控制器的控制信号输入 端连接控制电路的输出端，步进电机控制器的控制信号输出端连接所述歩进电机的控制信号 输入端。
试验证明，在非真空条件下，采用液氮介质中电弧放电、纯镁阳极自耗方法制备出尺寸 均匀可控、具有多种优异性能的金属Mg纳米颗粒。这种制备方法设备简单、工艺参数可控。 制备所需原材料为工业纯镁棒，原材料丰富、成本低。可制备非规则片状、六方片状、六方 灯笼状、近六方体状和球形或近球形状Mg纳米颗粒、尺寸范围为20—180nm，颗粒无其它污染。
图l为制备装置示意图2a为阴极端面的封闭孔的示意图；图2b为电极放置位置示意图； 图3为实施例l合成的Mg纳米颗粒几何形貌图及相应的电子衍射花样； 图4(a)、 4(b)为实施例2合成的Mg纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)相貌像和透射电子显
微镜(TEM)明场像及Mg颗粒的电子衍射花样；几何形貌图及相应的电子衍射花样；
图5(a)、 5(b)为实施例3合成的Mg纳米颗粒的几何形貌图(透射电子显微镜明场像)及
Mg颗粒的电子衍射花样；
图6为实施例4合成的Mg纳米颗粒的几何形貌图(透射电子显微镜明场像)及Mg颗粒的电 子衍射花样插图7为实施例5合成的Mg纳米颗粒的几何形貌图(透射电子显微镜明场像)； 图8为实施例6合成的Mg纳米颗粒的几何形貌图几何形貌图(透射电子显微镜明场像) 及Mg颗粒的电子衍射花样插图9为实施例7合成的Mg纳米颗粒的几何形貌图(透射电子显微镜明场像)； 图10为实施例8合成的Mg纳米颗粒的几何形貌图(透射电子显微镜明场像)； 图ll为实施例9合成的Mg纳米颗粒的几何形貌图(透射电子显微镜明场像)； 图12为实施例10合成的Mg纳米颗粒的几何形貌图(透射电子显微镜明场像)。
具体实施例方式
本发明采用的制备装置见图l，包括直流输出电源、电弧放电装置、容器等，电弧放电装 置中，通过歩进电机进行阳极供给，步进电机接受步进电机控制器的控制，控制电路用于监 测阴、阳极的给进速度，以便控制器及时调整给进速度。采用自反馈系统对歩进电机自动供
给阳极的速度进行控制；自反馈系统含有控制电路和步进电机控制器；阴极和阳极分别用夹 持器固定，控制电路的检测信号输入端分别连接阴极和阳极的夹持器，步进电机控制器的控 制信号输入端连接控制电路的输出端，歩进电机控制器的控制信号输出端连接步进电机的控 制信号输入端。
将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器底部加入少量无水乙醇，加入量为能覆 盖容器底部、并保持液面距容器底部约2 — 5 mm以上的深度，其作用是让合成的纳米镁颗粒 在液氮挥发后融入无水乙醇中，以免和空气接触被氧化。然后再加入液氮，液氮液面高度高 于电极中轴线约30 — 50隱以上。
电极材料的阳极为消耗材料，采用工业纯镁棒；阴极采用光谱纯石墨棒，直径约为阳极 的2倍。阴极一端端面开同心内孔，内孔直径约比阳极直径大1一6 mm，孔深约6 — 17 mm。将 阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。如图2 (a)、 (b)所示，在阴极的端面开有 同心内孔，在合成纳米镁颗粒材料时，镁阳极棒置于阴极内孔中，阳极侧面与阴极间不产生 电弧。阳极前端与阴极内孔端部产生电弧，如图2所示。这种合成方法一方面可以防止氧气混 入电弧区产生氧化， 一方面可形成一定压力环境，有利于纳米镁颗粒的合成。
操作步骤如下
1、设置电源的输出电流和输出电压，设置歩进电机的进给速度。2、 启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、并 起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳定 性，连续合成纳米Mg纳米颗粒。镁阳极棒置于阴极内孔中，而且电极全部浸埋在液氮中，这 样可以防止混入氧气，防止氧化，并形成一定压力，有利于纳米镁颗粒合成。而周围的液氮 环境有利于快速冷却，合成纳米镁颗粒。
3、 停止电弧放电，收集酒精中的纳米颗粒产物。或利用酒精流将产物带至产物收集器中收集。
4、 不同工艺参数，产物的尺寸、几何形态、产量均不同。工艺参数范围约为供给放电电流
10 — 120 A，放电电流密度0.35 — 4.2 A/隱2;供给放电电压14—22 V。 实例分析
1.低电流条件下合成的Mg纳米颗粒
1) .采用图l所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保 持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30 — 50mm。
2) .电极材料阴极采用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为9. 5±0. 5mm，深 约14士1瞧；阳极采用直径约为6 mm的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流为10A，放电电流密度0.35 A/mm2，输出电压约为21V。 设置歩进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置自动进给阳极，进给速度为能保持电弧连续放电和电弧的稳 定性即可，进行连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，为防止氧化，在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和 液氮接触后为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥 发后和温度升至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无 水乙醇一起放入产物收集器中。
制备产物所制备的纳米颗粒为Mg纳米颗粒和MgO纳米颗粒，其几何形貌如图3所示，(插 图为相应的电子衍射花样)，为Mg纳米颗粒为六边形、近六边形、和近球形，尺寸分布范围约 为20—90nm。颗粒厚度尺寸约为20 nm。产物中Mg纳米颗粒占50X，其余为MgO纳米颗粒。
2.平均粒径约为60 nm的Mg纳米颗粒的合成
1) .采用图l所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保
持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30 — 50mm。
2) .电极材料阴极采用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为IO土O. 5鹏，深 约10土lmm;阳极采用直径约为6 mm的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流为20A ，放电电流密度0.7 A/誦2，输出电压19V。 设置步进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和歩进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳 定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后 为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升至室温后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无水乙醇一起放入产物收 集器中。
制备产物所制备的产物基本上是Mg纳米颗粒。多数Mg纳米颗粒呈六边形片状，其几何 形貌如图4(a)和4(b)所示(图4(a)为扫描电子显微镜照片，图4 (b)为Mg纳米颗粒的透射电 子显微镜明场像及其选区电子衍射花样插图)，可见多数纳米颗粒的尺寸分布范围约为30 一IOO nm，平均颗粒尺寸约为60nm。少部分纳米Mg颗粒呈近球形形貌。
3平均粒径约为50 nm的Mg纳米颗粒的合成 1).采用图l所示的设备装置-直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保 持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30—50mra。
2) .电极材料阴极采用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为IO土O. 5mm，深 约10ilmm;阳极采用直径约为6 mm的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流为20A ，放电电流密度0.7 A/mm2,输出电压18V。 设置步进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳 定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后 为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升高至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无水乙醇一 起放入产物收集器中。
制备产物所制备的产物基本上是Mg纳米颗粒。Mg纳米颗粒呈六边形片状、近六边形、 球形和近球形，其几何形貌如图5(a)和5(b)所示(图5(a)和图5 (b)为Mg纳米颗粒的透射电 子显微镜明场像及选区电子衍射花样插图)，可见多数纳米颗粒的尺寸分布范围约为20—100 nm，平均颗粒尺寸约为50 nm。
4.平均尺寸约为150nm的Mg纳米六方颗粒的合成
1) .采用图l所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保
持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30 — 50咖。
2) .电极材料阴极采用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为ll土lmm，深约9 ±2隱；阳极采用直径约为6 tnm的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流20A，放电电流密度0.7 A/mm2，输出电压21V。设置步进 电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳 定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后 为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升高至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无水乙醇一 起放入产物收集器中。
制备产物所制备的产物主要是纳米Mg颗粒，大部分为六边形片状颗粒，其几何形貌如 图6所示。Mg纳米六方颗粒的电子衍射花样如插图所示，颗粒尺寸分布范围约为100 — 250 nm。平均尺寸约为150nm。
5.放电电流密度为1.03 A/mm2的条件下合成的Mg纳米颗粒
1) .采用图l所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保
持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30—50mm。
2) .电极材料阴极采用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为IO. 5±0. 5咖， 深约12士1,;阳极采用直径约为6國的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流30A ，放电电流密度1.03 A/画2，输出电压19V。设置歩 进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳 定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后
为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升高至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无水乙醇一 起放入产物收集器中。
制备产物产物主要是Mg纳米颗粒，大部分Mg纳米颗粒为六边形片状、近六边形的颗粒和近
球形颗粒，其几何形貌如图7所示。Mg纳米颗粒尺寸分布范围约为20_120 nm。六边形片 的厚度约为25nm。
6.放电电流密度为1.4 A/rrari2的条件下合成的Mg纳米颗粒
1) .采用图l所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保 持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30 — 50mm。
2) .电极材料阴极采用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为10±0.5mm，深 约lOilmm;阳极采用直径约为6誦的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流40A ，放电电流密度1.4 A/腿2，输出电压18V。设 置步进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳 定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后 为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升高至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无水乙醇一 起放入产物收集器中。
制备产物所制备产物主要是Mg纳米颗粒，大部分Mg纳米颗粒为接近六边形的灯笼状颗 粒和近球形颗粒，其形貌如图8所示，其插图为相应的选区电子衍射花样。纳米颗粒的尺寸分 布范围约为30—120 nm。平均颗粒尺寸约为65nm。
7. 放电电流密度为3. 5 A/mm2的条件下合成的Mg纳米颗粒
1) .采用图l所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保 持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30 — 50mm。
2) .电极材料阴极采用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为IO土O. 5mni，深 约10土2咖；阳极采用直径约为6 mm的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流100A ，放电电流密度3.5A/mm2，输出电压18V。设 置步进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳 定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后 为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升高至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——-纳米镁颗粒，或和无水乙醇一 起放入产物收集器屮。
制备产物所制备产物主要是Mg纳米颗粒、MgO纳米颗粒，大部分Mg纳米颗粒为形状不 太规则的球形或近球形纳米颗粒，部分为近六边形的颗粒，MgO纳米颗粒多为近球形颗粒，其 形貌如图9所示，纳米Mg颗粒的尺寸分布范围约为10—90 nm。平均颗粒尺寸约为40r皿。
8. 非规则几何形态Mg纳米颗粒的合成 1).采用图l所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保
持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30 — 50mm。2) .电极材料阴极采用直径约为15國的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为ll土lmm，深约 10土lmm;阳极采用直径约为6國的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流为10A ，放电电流密度0.35A/画2，输出电压14一15V。 设置步进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳 定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面t喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后 为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升高至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无水乙醇一 起放入产物收集器中。
制备产物所制备产物多为Mg纳米颗粒，其几何形貌主要为非规则片状纳米颗粒，其几 何形貌如图10所示尺寸分布范围约为20—70 nm。平均颗粒尺寸约为40画。此外，也有部分 六边形、近六边形和球形纳米颗粒，平均尺寸约为40纳米。
9.阴极内孔深度为15鹏条件下合成的Mg纳米颗粒
1) .采用图i所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保
持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30 — 50mm。
2) .电极材料阴极采用直径约为15誦的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为8. 5±0. 5國，深 约15士lmm;阳极采用直径约为6隱的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流20A ，放电电流密度0.7A/國2，输出电压18V。设置 步进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳
定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6).停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后 为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升高至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无水乙醇一 起放入产物收集器中。
制备产物所制备产物主要是Mg纳米颗粒颗粒，大部分Mg纳米颗粒为接近六边形的灯笼 状颗粒和近球形颗粒，其形貌如图S5所示，其插图ll为相应的选区电子衍射花样。纳米颗粒 的尺寸分布范围约为20—90 nm。
10.阴极内孔深度为16mm条件下合成的Mg纳米颗粒
1) .采用图l所示的设备装置
直流输出电源；
电弧放电装置通过步进电机进行阳极供给；
容器将放电电极(阴极和阳极)置于容器中，在容器中先加入能覆盖容器底部、并保
持液面距容器底部达约2 — 5 mm深度的无水乙醇，然后再加入液氮，液氮面高度高于电极中 轴线约30 — 50mm。
2) .电极材料阴极釆用直径约为15mm的光谱纯石墨棒，断面封闭孔直径约为9. 5±0. 5mm，深 约i6土l咖；阳极采用直径约为6 mm的工业纯镁棒。
3) .将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接。
4) .设置电源的输出参数放电电流40A ，放电电流密度1.4A/,2，输出电压18V。设置 步进电机的进给速度(采用自反馈系统，保持电压稳定)。
5) .启动电源和步进电机控制系统，先快速进给使电极移动至能发生电弧放电的起弧距离、 并起弧放电，然后利用控制装置以合适的速度自动进给阳极，保持连续电弧放电和电弧的稳 定性，连续合成Mg纳米颗粒。
6) .停止电弧放电，取出容器，并在液氮液面上喷洒一层无水乙醇，无水乙醇和液氮接触后 为粘稠状，加入量为在液氮液体表面形成一层无水乙醇粘稠状膜即可。待液氮挥发后和温度 升高至无水乙醇为流体后，收集混于无水乙醇中合成产物——纳米镁颗粒，或和无水乙醇一 起放入产物收集器中。
制备产物所制备产物主要是Mg纳米颗粒颗粒，大部分Mg纳米颗粒为接近六边形的灯笼状 颗粒和近球形颗粒，其形貌如图12所示，纳米颗粒的尺寸分布范围约为30—100咖。
权利要求
1、一种金属Mg纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，是在液氮介质中，采用电弧放电、纯镁阳极自耗制备Mg纳米颗粒，含有以下步骤1)将放电电极置于容器中，在容器中先加入无水乙醇，加入量为能覆盖容器底部，并保持无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电极中轴线30-50mm；电极阴极采用石墨棒，阳极采用纯Mg棒，在所述石墨棒的端面开有内孔，该内孔的孔径比阳极直径大1-6mm，孔深为6-16mm；2)将阴极和阳极分别与直流电源的负极和正极相连接；3)将阴极和阳极移动至能发生电弧放电的起弧距离，并且阳极置于阴极端部的内孔，启动直流电源，使电极开始起弧放电，合成纳米Mg颗粒；其中，直流电源的放电电流为10～120A，电流密度为0.35～4.2A/mm2，放电电压为14～22V；4)停止电弧放电，收集容器内混于无水乙醇中的合成产物纳米Mg颗粒。
2、 如权利要求l所述的金属Mg纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，在所述第4)步，在停 止电弧放电后，在容器中液氮表面覆盖一层无水乙醇溶液，形成无水乙醇薄层。
3、 如权利要求l所述的金属Mg纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，在所述第3)歩中，利 用步进电机进行阳极供给，使得能够连续合成纳米Mg颗粒。
4、 如权利要求3所述的金属Mg纳米颗粒材料的制备方法，其特征在于，采用自反馈系统对所 述歩进电机自动供给阳极的速度进行控制；所述自反馈系统含有控制电路和步进电机控制器; 所述阴极和阳极分别用夹持器固定，所述控制电路的检测信号输入端分别连接所述阴极和阳 极的夹持器，所述歩进电机控制器的控制信号输入端连接控制电路的输出端，步进电机控制 器的控制信号输出端连接所述步进电机的控制信号输入端。
全文摘要
一种金属Mg纳米颗粒材料的制备方法属于纳米材料制备技术领域。其特征在于，是在非真空条件下，采用液氮介质中电弧放电、纯镁阳极自耗方法制备MgO纳米颗粒，其中在阴极端面开有内孔，将阳极置于阴极端部的内孔，起弧放电，在气流的作用下，将空气卷入电弧放电反应区，为生成MgO提供氧原子，合成纳米MgO颗粒。这种制备方法设备简单、工艺参数可控。制备所需原材料为工业纯镁棒，原材料丰富、成本低。可制备非规则片状、六方片状、六方灯笼状、近六方体状和球形或近球形状Mg纳米颗粒，颗粒无其它污染。
文档编号B22F9/02GK101347840SQ20081011980
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月11日 优先权日2008年9月11日
发明者姚可夫, 范肖凌 申请人:清华大学