[发明专利]一种制备纳米多孔金属材料的方法

说明书

本发明涉及一种纳米多孔金属材料的制备方法，包括1)将金属和半导体材料在衬底上进行膜层生长，得到半导体/金属双层膜；2)对制备出的半导体/金属双层膜进行退火处理；3)对退火后的半导体/金属双层膜进行选择性刻蚀处理，以除去半导体从而获得纳米多孔金属材料。本方法的创新点在于借鉴金属诱导晶化方法在低温制备半导体薄膜的研究成果，利用固相‑固相之间的反应实现纳米化，能够较好地制备出纳米多孔纯金属和合金材料，且衬底材料不受限制。本发明提供一种廉价的、高效的\纳米多孔金属材料制备方法。克服纳米多孔金属材料传统方法的效率低、规模化扩展差等问题，同时能与大型工业设施、装备相兼容，易于实现大规模的工业化应用。

技术领域

本发明属于制备纳米多孔金属材料的技术领域，基于金属诱导晶化这一理论来研究经过膜层生长的半导体/金属双层膜，经过退火处理后进行选择性刻蚀以去除半导体从而获得纳米多孔金属材料。

背景技术

纳米多孔金属材料是当今发展较为迅猛的一类功能结构材料，其兼备了金属与其它纳米材料的特性，在催化、过滤、水解离、传感器、化学合成、储氢、汽车尾气处理、药物装载和释放、电化学能源储存和转换等都展示出了广泛的潜在应用前景。Takeshi Fujita^[1]等人的研究成果表明纳米多孔金具有显著的催化效应以及在CO催化氧化中的“优良”表现；其他的研究团队同样对纳米多孔金属在其他领域的催化效应进行了验证，纳米多孔金属材料已然作为新一代的高效催化剂得到了越来越多的认可。尤其当今世界能源系统处在快速转换的过程当中，纳米多孔金属材料研究领域的兴起与当前许多能源领域如新能源技术、催化、环境与生物检测等的快速发展密切相关。在新能源的研究领域，Peng^[2]等人的研究成果已经证明了纳米多孔金可作为Li-O₂电池高效率和高可逆性的阳极材料，此外电荷上的Li-O₂的氧化动力学的速率比碳电极约快10倍；Lang^[3]等人的研究表明由纳米多孔金和纳米晶MnO₂组成的杂化结构能显著提高导电性，使MnO₂组分的比电容达到了接近理论值。经过功能化设计的纳米多孔金属材料期望在许多应用领域中大放异彩，这有望在某些重要的领域起到积极的促进、推动作用。

纵观纳米多孔金属材料的传统制备方法，自身均存在着些许的局限性。作为当前研究较为广泛的脱合金法，其最早可追溯到印加文明的“损耗镀金法”。最早的工业应用是上世纪20年代美国M.Raney制备的Raney镍。脱合金法是指合金材料在一定的腐蚀条件下，其不同组分间由于电化学行为的差别，产生活泼组分的溶解或析出，而相对稳定组分富集的一个现象。该方法包括合金基体的选择、制备及选择性腐蚀两个过程。其中前一过程中常采用高温熔炼法等，对设备和温度的要求较高，且操作具有一定的危险性；在后一过程中则不可避免的发生再结晶现象且存在活泼组分的残余；造成了材料(尤其是贵金属)的浪费，而且腐蚀液涉及剧毒性、危险性的溶剂。纳米粉体烧结法是把一定尺寸的金属粉末填入模具成形，进行压力烧结而获得多孔烧结体的方法，该方法制备的纳米多孔金属材料孔隙率较低、强度低，会极大地降低该类材料的实际应用价值。模板法是通过物理、化学方法将目标金属材料沉积到多孔模板的孔隙中,然后移去模板,从而得到与模板在形貌、尺寸类似或相关的纳米多孔金属材料，其中硬模板法的后续处理过程繁琐，且硬模板结构比较单一，形貌变化较少；而软模板制备的纳米多孔材料稳定性差、模板效率不高。整体而言，模板法的制备过程复杂、成本较高，不适合批量生产，限制了纳米多孔金属材料的实际应用。

发明内容

考虑到目前纳米多孔金属材料传统制备方法存在的不足之处，以及当前一些与应用该类材料密切相关的新能源领域的迅猛发展。为了克服传统制备方法中存在的问题，本发明提供了一种制备纳米多孔金属材料的方法。

为了实现本发明的目的，制备纳米多孔金属的技术方案为：

一种纳米多孔金属材料，所述材料是以半导体/金属双层膜为基材构筑，制备纳米多孔金属材料的具体方法，如附图1所示，包括以下三步：