[发明专利]一种大尺寸铋纳米线及其制备方法

说明书

本发明公开了一种大尺寸铋纳米线及其制备方法，涉及纳米材料技术领域。所述铋纳米线的制备方法包括以下步骤：对铅铋合金进行电化学脱合金处理，使铅元素选择性脱溶，清洗与干燥后获得大尺寸铋纳米线；所述的铅铋合金中铋的原子百分比介于26%‑40%之间。本发明的制备方法装置简易，工艺简单，成本低廉，易于大规模工业化生产，且通过控制合金组分比例和电化学脱合金条件参数可方便地调控铋纳米线结构和尺寸，可调节范围更大更灵活；所获得的铋纳米线排列紧凑，具有取向性，宏观尺寸大，且纯度高，不存在掺杂的铅元素，可应用于催化、储能、传感、能量转换、高温超导等领域，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种大尺寸铋纳米线及其制备方法。

背景技术

半金属铋（Bi）具有一系列独特的物理化学性能，如比重大、熔点低、凝固时体积冷胀热缩，无毒、化学性质稳定，金属元素中最大的抗磁性（磁化率可达 -10^-4 ~ -10^-3 量级），除汞外金属中最低的热导率（8 W/(m·K)），低的电子浓度（比普通金属低约5个数量级），很高的电阻率（1290 nΩ·m @20℃）等，广泛应用于冶金、化工、电子、宇航、医药等领域。特别是一维铋纳米结构材料，在催化、储能、传感检测、能量转换、高温超导等领域存在着广泛而重要的应用。随着科学研究的深入和工业技术的进一步发展，一维铋纳米结构材料的应用领域仍在不断拓宽。因此，研究开发出生产工艺简单、成本低、易于规模化的铋纳米线的合成和制备方法，一直受到广泛的关注。

目前，铋纳米线常用的制备方法有模板法、水热法、溶剂热法、电沉积法、液相还原法、气相沉积法等，这些方法丰富多样，且发展迅速，能获得一系列不同直径和长度的铋纳米线。但是，现有制备方法仍存在诸多缺点与不足。比如，模板法工序相对繁琐、后续处理工艺复杂；水热法、溶剂热法要求高温，条件苛刻；电沉积法和液相还原法虽然工艺简单，易于实现规模化工业生产，但对纳米线形貌结构的可控性较差且纯度不高；气相沉积法设备要求高，成本高昂，产量偏低；此外，这些方法制备出来的铋纳米线较难组成宏观的整体有序结构而使其应用范围受限。

近年来，脱合金（Dealloying）技术以其低成本、可扩展制造和可控结构等优点受到越来越多的关注，并在众多领域得到了广泛的应用。脱合金是指从合金前驱体中选择性溶解或脱除一种或多种组分的技术，可分为化学脱合金、电化学脱合金和气相脱合金等（Nano Today 37 (2021) 101094）。并且残留组分会通过迁移和扩散过程自发形成独特的微纳米结构。比如典型的双连续纳米多孔结构，该结构具有超高的比表面积和良好的导电性以及丰富而连续的质量传输通道，可广泛应用于传感、储能、催化及光电等领域。根据文献报道，多种纳米多孔金属能通过相应合金的脱合金而获得，如纳米多孔金（Au-Ag、Au-Al、Au-Zn）、纳米多孔铂（Pt-Ag、Pt-Cu、Pt-Si）、纳米多孔银（Ag-Al、Ag-Zn、Ag-Mg）、纳米多孔钯（Pd-Co、Pd-Al）、纳米多孔铜（Cu-Al、Cu-Zr、Cu-Mn）和纳米多孔钛（Ti-Mg）等。美国约翰霍普金斯大学的J. Erlebacher教授认为（J Electrochem Soc, 2004, 151 : C614-C626），脱合金形成纳米多孔结构的合金通常具有四个基本的共同特征：(i) 一种元素比其它元素更加惰性，溶解电势差 Δϕ 必须达到几百毫伏；(ii) 合金组成中通常富含活泼组分；(iii)合金在溶解前必须是均质的，没有相分离；(iv) 更惰性的原子在合金/电解液界面的扩散必须足够快。具有这些特性的合金包括金与银或铜的合金以及钯与银或铜的合金，还有许多其他合金。