[发明专利]一种微纳多孔功能器件、其增材制造方法和应用

说明书

本发明属于先进制造与纳米材料合成交叉领域，具体地，涉及一种微纳多孔结构功能器件、其增材制造方法和应用。首先采用增材制造技术将合金粉末加工制作为多孔合金前驱体，然后对该多孔合金前驱体进行脱合金处理，以在表面获得纳米孔洞结构复合成为微纳多孔结构。采用增材制造技术可以制备多孔的具有大比表面积的适合脱合金工艺的功能器件前驱体。该增材制造/脱合金复合技术能够方便地制备具有微纳多孔结构的形状可控的功能器件，相较于小尺寸的纳米线或者纳米多孔结构的薄膜，可以胜任更加实际应用中更加复杂多变的使用需求。

技术领域

本发明属于先进制造与纳米材料合成交叉领域，具体地，涉及一种微纳多孔结构功能器件、其增材制造方法和应用，更具体地，涉及一种增材制造/脱合金复合制造的微纳多孔功能器件、其制备和应用。

背景技术

脱合金也称为去合金化(Dealloying)，将二元或多元合金在特定腐蚀条件(化学或电化学)下，由于合金中各元素的电化学行为或元素活性的差异，导致相对活泼的元素溶解，活性较低的元素在表面张力作用下通过扩散、聚集等自组装方式，自发形成具有随机分布的纳米级多孔结构。

在催化反应中，纳米级多孔结构可显著增强宿主分子和客体分子之间的相互作用，提供许多个具有众多催化位点的超高比表面。脱合金能够实现金属材料的纳米多孔化，使得材料获得相对密度小、比表面积大、吸能性能好等优势，让多孔材料具有致密材料难以胜任的用途。该技术是一种重要的生产纳米多孔金属结构的可行方法，对于部分新兴的行业应用至关重要，如生产储能器件，传感器和具有高活性的催化介质。

目前脱合金制备前驱体基本采用快速凝固甩带的方法制备薄带状合金，工艺比较复杂，不适应批量化的生产，从而限制了该方法的应用。也有将合金前驱体进行脱合金制备纳米线的方式，然而这种方式制备得到的材料尺寸小，使用与收集不方便，易产生二次污染，难以应用在实际的场合。比如污水处理过程中，采用的纳米催化剂均为粉末状态，在使用过程中虽然具有较好的催化性能，但是由于其为粉末状态，不方便收集而容易导致对处理水产生二次污染。目前的技术只能制备得到纳米线或薄膜状的纳米多孔结构器件，不能得到体式的具有复合孔洞结构的微纳多孔结构器件，形状局限性导致其不能满足复杂多变的使用需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种增材制造/脱合金复合制造微纳多孔功能器件的方法，该方法复合了增材制造与脱合金，采用增材制造技术制造具有大比表面积的多孔合金前驱体，随后采用脱合金技术在前驱体表面制备纳米多孔催化质点，以获得比表面积大、催化位点多的高性能微纳多孔功能器件，旨在解决现有技术采用脱合金制备纳米多孔薄带或纳米线等纳米材料形状受限、不能满足复杂多变的应用需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种增材制造/脱合金复合制造微纳多孔功能器件的方法，包括如下步骤：

(1)对合金粉末或合金元素混合粉末通过增材制造得到体式多孔合金前驱体，所述体式多孔合金前驱体其孔分布具有立体网状结构；

(2)对步骤(1)获得的多孔合金前驱体进行脱合金处理，该脱合金处理过程中，所述多孔合金前驱体表面部分合金元素组分被腐蚀溶解，同时保留下来的元素组分在表面张力作用下在所述多孔合金前驱体的表面自发形成纳米多孔结构，以获得微纳多孔功能器件。

优选地，所述增材制造为激光选区熔化、电子束选区熔化、激光近净成型、电子束熔丝沉积成形或电弧增材制造。

优选地，步骤(1)具体包括如下子步骤：

(1-1)将目标多孔合金前驱体的三维CAD模型经切片软件处理后转换成STL文件，将STL文件信息输送到增材制造设备中；

(1-2)采用所述增材制造设备根据所述STL文件信息对合金粉末或合金元素的混合粉末进行增材制造得到多孔合金前驱体。

优选地，对步骤(1)制备得到的多孔合金前驱体采用超声清洗并烘干后再进行步骤(2)的脱合金处理。