CN100571937C - 一种类球形多孔银粉的工业化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种类球形多孔银粉的工业化制备方法，具体是：先将碳酸银原料溶于氨水溶液中，充分混匀，配制成5～25wt%的银铵溶液，再将所配制的银铵溶液导入喷雾干燥设备进行喷雾干燥，获得类球形多孔银粉的前驱体粉末，然后将所获得的前驱体粉末进行煅烧处理，再经降温到室温时取出，即得到类球形多孔银粉。本发明因其工艺简捷、易控制、投资成本低，适合于工业化规模生产，可在制备催化剂材料、电子陶瓷材料、防静电材料、低温超导材料、电子浆料、生物传感器材料、无机抗菌剂或除臭及吸收部分紫外线的功能材料中有广泛的应用；所制备的类球形多孔银粉，具有大量微米级以上相互沟联的孔道、比表面积高和活性高，并且结晶度高，产率也高。
Description
技术领域
本发明涉及多孔金属材料，特别是涉及一种类球形多孔银粉的工业化制备方法。
背景技术
银粉由于其优异物理化学等性质，故在催化剂材料、电子陶瓷材料、防静电材料、低温超导材料、电子浆料、生物传感器材料以及无机抗菌剂、除臭及吸收部分紫外线的功能材料等领域有广泛的应用前景。
目前国内外对于银粉的研究成果已有不少报道，主要的制备方法有物理气相蒸发凝集法、电子束蒸发、溅射法、X-ray射线诱导、热等离子、溶胶-凝胶、微波等离子法、机械研磨法、激光高温燃烧法、化学气相沉积法、高分子保护化学还原法、电解法、熔体雾化法、液相化学或固相化学还原法等(1.楚广，杨天足，刘伟锋等。纳米银粉的制备及其应用研究进展。贵金属，2006，27(1)：57-63；2.H.H.Nersisyan，J.H.Lee，H.T.Son，et al.Mater Res Bull 38(2003)949；3.N.H.H.Abu Bakar，J.Ismail，et al.MaterChem Phys 104(2007)276；4.N.Singh，P.K.Khanna.Mater Chem Phys 104(2007)367等)。通过这些方法已经能够制备出球形、片状、树枝状等多种形状的银粉。
同时，也有采用喷雾热解方法制备超细银粉或复合银粉的报道(1.刘志宏，刘智勇，李启厚，吴厚平，张多默。喷雾热分解法制备超细银粉及其形貌控制。中国有色金属学报，2007，17(1)：149-155；2.S.Y.Yang，S.G.Kim.Characterization of silver andsilver/nickel composite particles prepared by spray pyrolysis.Powder Technology146(2004)185-192；3.Majumdar，H.D.Glicksman，T.T.Kodas.Generation andsintering characteristics of silver-copper(II)/oxide composite powders made byspray pyrolysis.Powder Technology 110(2000)76-81)。
上述方法很难制备类球形结晶度高、具有大量微米级以上相互沟联的孔道、比表面积高、活性高的多孔银粉。
银催化剂在石油和天然气等化学工业生产中广泛使用，如甲醇氧化制甲醛、乙醇氧化制乙醛、乙酸，正丁醇氧化制正丁醛，丙烯直接氧化制丙酮，乙烯直接氧化制环氧乙烷等。电解银催化剂选择性及转化率都较高，但易中毒，使用寿命短；浮石银的选择性及转化率不如电解银，但抗毒性优于电解银，使用寿命高。现有催化剂的主要缺陷是：(1)孔隙率低；(2)有效反应表面积小；(3)耐热性差等。多孔银粉孔隙率高、比表面积大，具有三维空间网状结构，透气性好，具有优良的气/液扩散性，是理想的反应催化材料。同时还可用来制作成高性能电磁屏蔽材料，另一方面因银离子的杀菌作用，可制备成各种空气及液体过滤装置。同时，高活性多孔银粉在锌/氧化银电池、铝/氧化银电池的正极制造技术中也有广泛地应用。
国外也有采用化学还原法、喷雾热解方法制备多孔银材料和多孔银粉的报道。例如：
(1)R.H.Jin等以聚乙烯亚胺为模板，采用软牺牲模板法制备了银多孔材料。[R.H.Jin，J.J.Yuan.J.Mater.Chem.，2005，15，513-4517|4513.]
(2)D.Walsh等以右旋糖苷模板合成了银和金多孔材料。[D.Walsh，L.Arcelli，T.Ikoma，J.Tanaka and S.Mann，Nature Mater.，2003，2，386-390.]
(3)J.H.He等以纤维素纤维为模板合成了多孔和纳米孔银结构。[J.H.He，T.Kunitake，T.Watanabeb.Chem.Commun.，2005，795-796|795.]
(4)N.Kieda等分别以碳酸银氨水溶液，硝酸银和碳酸氢铵混合溶液为原料，采用喷雾热分解制备了多孔银粉。(N.Kieda，G.L.Messing.Preparation of silver particlesby spray pyrolysis of silver-diammine complex solutions.Journal of MaterialsResearch，1998，13(6)：1660-1665.)
其中，方法(1)、(2)、(3)是采用化学模板法制备多孔银材料或多孔银粉，工艺相对较复杂、周期较长、成本高、难以规模化生产，同时由于模板的使用存在可能引入杂质等缺点；与上述方法相比，方法(4)具有成本低、适合连续生产等优点，具有工业化前景，但方法(4)工艺是采用一步喷雾热分解技术制备多孔银粉，包括慢速干燥和热分解过程，制备了颗粒直径为1μm左右，介孔或亚微孔径、壳状结构的多孔银粉。以上的这些报道在合成方法、反应路线以及目标产物方面都与本发明不同。本发明所述制备的类球形多孔银粉具有大量微米级以上相互沟联的孔道，颗粒粒径为100μm左右。另外，这样可以批量生产类球形结晶度高、具有大量微米级以上相互沟联的孔道、比表面积高、活性高的多孔银粉的制备技术也是以往所不知道的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种适合于工业化规模生产类球形多孔银粉的方法，该方法所制备的类球形多孔银粉不仅结晶度高，具有大量微米级以上相互沟联的孔道，而且产率高。
本发明解决其技术问题所采用以下的技术方案：
本发明提供的类球形多孔银粉的工业化制备方法，具体是：先将碳酸银原料溶于氨水溶液中，充分混匀，配制成5～25wt.％的银铵溶液，再将所配制的银铵溶液导入喷雾干燥设备进行喷雾干燥，获得类球形多孔银粉的前驱体粉末，然后将所获得的前驱体粉末进行煅烧处理，再经降温到室温时取出，即得到类球形多孔银粉。
本发明提供的类球形多孔银粉的工业化制备方法，在制备催化剂材料、电子陶瓷材料、防静电材料、低温超导材料、电子浆料、生物传感器材料、无机抗菌剂或除臭及吸收部分紫外线的功能材料中有广泛的应用。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：因其工艺简捷、易控制、没有污染、投资成本低，适合于工业化规模生产。制备的类球形多孔银粉结晶度高、具有大量微米级以上相互沟联的孔道、比表面积高、活性高，制备类球形多孔银粉末工艺的产率高。在催化剂材料、电子陶瓷材料、防静电材料、低温超导材料、电子浆料、生物传感器材料、无机抗菌剂、除臭及吸收部分紫外线的功能材料等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明类球形多孔银粉的制备工艺流程图。
图2为本发明类球形多孔银粉末X射线衍射图谱。
图3中：(a)为类球形多孔银粉末的前驱体粉末扫描电镜图，(b)和(c)为类球形多孔银粉末的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供的类球形多孔银粉的工业化制备方法，具体是：先将碳酸银原料溶于氨水溶液中，充分混匀，配制成5～25wt.％的银铵溶液，再将所配制的银铵溶液导入喷雾干燥设备进行喷雾干燥，获得类球形多孔银粉的前驱体粉末，然后将所获得的前驱体粉末进行煅烧处理，再经降温到室温时取出，即得到类球形多孔银粉。
本发明可以采用以下步骤的方法制备类球形多孔银粉的前驱体粉末：
a.将碳酸银原料溶于浓度为5～20wt.％氨水溶液中，充分混匀，配制成5～25wt.％的溶液。所采用的碳酸银原料可由碳酸银或硝酸银与碳酸钠或碳酸氢钠配制而成，硝酸银与碳酸钠或碳酸氢钠的配比为1∶1.1～2.0。
b.再将所配制的溶液导入喷雾干燥设备中进行喷雾干燥，获得类球形多孔银粉的前驱体粉末，该粉末粒度为0.5～10μm。在喷雾干燥过程中，温度控制在100～200℃，环境气氛为空气或惰性气体。
本发明对上述前驱体粉末进行煅烧处理时，可采用：煅烧温度控制在400～600℃；保温时间10～40分钟，时间过长会使晶粒长大；环境气氛为空气或惰性气体。
对上述前驱体粉末进行煅烧处理时，应控制升温速率和保温时间，这样可以有效地保护多孔结构不被破坏。煅烧处理具体过程如下：
(a)在空气或惰性气体气氛下，惰性气氛为普通氮气或氩气，首先以5℃/分钟的升温速率升温到100℃，保温10～30分钟；
(b)以2～4℃/分钟的升温速率从100℃升温到150℃，保温10～30分钟；然后以1℃/分钟的升温速率从150℃升温到200℃，保温10～30分钟；
(c)以1～2℃/分钟的升温速率从200℃升温到260℃，保温10～30分钟；
(d)以1℃/分钟的升温速率从260℃升温到300℃，保温10～20分钟；
(e)以2～3℃/分钟的升温速率从300℃升温到400℃～600℃，保温10～40分钟。
本发明提供的一种类球形多孔银粉的工业化制备方法，制备的类球形多孔银粉在功能材料中有广泛的应用。该功能材料包括催化剂材料、电子陶瓷材料、防静电材料、低温超导材料、电子浆料、生物传感器材料、无机抗菌剂或除臭及吸收部分紫外线等材料。
下面结合具体实施例对本发明提供的类球形多孔银粉的工业化制备方法作进一步说明，但不限定本发明。
实施例1：
将50克碳酸银Ag2CO3原料溶于950毫升浓度为5wt.％氨水溶液中，在空气气氛中喷雾干燥，溶液流量为1000毫升/小时，载气体流量0.28MPa，进风温度控制在280℃、出风温度控制在180℃制成类球形多孔银粉的前驱体粉末；将得到的类球形多孔银粉的前驱体粉末放在氧化铝坩埚中，空气气氛下煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为40分钟，煅烧工艺为：首先以5℃/分钟的升温速率升温到100℃，保温10分钟；以2℃/分钟的升温速率从100℃升温到150℃，保温30分钟；然后以1℃/分钟的升温速率从150℃升温到200℃，保温10分钟；以2℃/分钟的升温速率从200℃升温到260℃，保温30分钟；以1℃/分钟的升温速率从260℃升温到300℃，保温20分钟；以3℃/分钟的升温速率从300℃升温到400℃，保温40分钟；待温度降低到室温时，取出煅烧后前驱体粉末，即得到类球形多孔银粉。
本实施例制备的类球形多孔银粉末，通过X射线衍射，其图谱如图2所示。本实施例制备的类球形多孔银粉末的前驱体粉末，通过电镜扫描，其图谱如图3a所示：为类球形颗粒。本实施例制备的类球形多孔银粉末，通过电镜扫描，其图谱如图3b和图3c所示：由图3b可知，类球形多孔银粉末具有大量微米级以上相互沟联的孔道，颗粒粒径为100μm左右多孔结构；由图3c可知，类球形多孔银粉末由很多粒径为3μm左右的小颗粒相互沟通而形成的多孔结构。
实施例2：
将62克硝酸银AgNO3配制成溶液与适量的碳酸钠反应制备Ag2CO3原料，过充分反应后进行抽滤、洗涤得到Ag2CO3原料，将其溶于950ml浓度为20wt.％氨水溶液中，在空气气氛中喷雾干燥，溶液流量为400毫升/小时，载气体流量0.32MPa，进风温度控制在250℃、出风温度控制在120℃制成类球形多孔银粉的前驱体粉末；将得到的类球形多孔银粉前驱体粉末放在氧化铝坩埚中，空气气氛下煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为10分钟，煅烧工艺为：首先以5℃/分钟的升温速率升温到100℃，保温10分钟；以2℃/分钟的升温速率从100℃升温到150℃，保温10分钟；然后以1℃/分钟的升温速率从150℃升温到200℃，保温10分钟；以1℃/分钟的升温速率从200℃升温到260℃，保温10分钟；以1℃/分钟的升温速率从260℃升温到300℃，保温10分钟；以2℃/分钟的升温速率从300℃升温到400℃，保温10分钟；待温度降低到室温时，取出煅烧后前驱体粉末，即得到类球形多孔银粉。
实施例3：
将310克硝酸银AgNO3配制成溶液与适量的碳酸氢钠反应制备Ag2CO3原料，过充分反应后进行抽滤、洗涤得到Ag2CO3原料，将其溶于750ml浓度为5wt.％的氨水溶液中，在空气气氛中喷雾干燥，溶液流量为800毫升/小时，载气体流量0.29MPa，进风温度控制在280℃、出风温度控制在180℃制成类球形多孔银粉的前驱体粉末；将得到的类球形多孔银粉的前驱体粉末放在氧化铝坩埚中，氮气气氛下煅烧，煅烧温度为600℃，煅烧时间为20分钟，煅烧工艺为：首先以5℃/分钟的升温速率升温到100℃，保温30分钟；以4℃/分钟的升温速率从100℃升温到150℃，保温30分钟；然后以1℃/分钟的升温速率从150℃升温到200℃，保温20分钟；以2℃/分钟的升温速率从200℃升温到260℃，保温20分钟；以1℃/分钟的升温速率从260℃升温到300℃，保温15分钟；以3℃/分钟的升温速率从300℃升温到600℃，保温20分钟；待温度降低到室温时，取出煅烧后前驱体粉末，即得到类球形多孔银粉。
实施例4：
将280克硝酸银AgNO3配制成溶液与适量的碳酸氢钠反应制备Ag2CO3原料，过充分反应后进行抽滤、洗涤得到Ag2CO3原料，将其溶于800ml浓度为15wt.％的氨水溶液中，在空气气氛中喷雾干燥，溶液流量为600毫升/小时，载气体流量0.30MPa，进风温度控制在260℃、出风温度控制在150℃制成类球形多孔银粉的前驱体粉末；将得到的类球形多孔银粉的前驱体粉末放在氧化铝坩埚中，氩气气氛下煅烧，煅烧温度为500℃，煅烧时间为20分钟，煅烧工艺为：首先以5℃/分钟的升温速率升温到100℃，保温30分钟；以4℃/分钟的升温速率从100℃升温到150℃，保温10分钟；然后以1℃/分钟的升温速率从150℃升温到200℃，保温10分钟；以2℃/分钟的升温速率从200℃升温到260℃，保温30分钟；以1℃/分钟的升温速率从260℃升温到300℃，保温20分钟；以3℃/分钟的升温速率从300℃升温到500℃，保温20分钟；待温度降低到室温时，取出煅烧后前驱体粉末，即得到类球形多孔银粉。
实例5：
将50克硝酸银AgNO3配制成溶液与适量的碳酸钠反应制备Ag2CO3原料，过充分反应后进行抽滤、洗涤得到Ag2CO3原料，将其溶于900ml浓度为15wt.％的氨水溶液中，在空气气氛中喷雾干燥，溶液流量为700毫升/小时，载气体流量0.28MPa，进风温度控制在270℃、出风温度控制在130℃制成类球形多孔银粉的前驱体粉末；将得到的类球形多孔银粉的前驱体粉末放在氧化铝坩埚中，空气气氛下煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为10分钟，煅烧工艺为：首先以5℃/分钟的升温速率升温到100℃，保温30分钟；以4℃/分钟的升温速率从100℃升温到150℃，保温30分钟；然后以1℃/分钟的升温速率从150℃升温到200℃，保温10分钟；以2℃/分钟的升温速率从200℃升温到260℃，保温30分钟；以1℃/分钟的升温速率从260℃升温到300℃，保温20分钟；以2℃/分钟的升温速率从300℃升温到450℃，保温10分钟；待温度降低到室温时，取出煅烧后前驱体粉末，即得到类球形多孔银粉。
实例6：
将250克碳酸银Ag2CO3原料溶于750毫升浓度为20wt.％氨水溶液中，在空气气氛中喷雾干燥，溶液流量为400毫升/小时，载气体流量0.32MPa，进风温度控制在250℃、出风温度控制在120℃制成类球形多孔银粉的前驱体粉末；将得到的类球形多孔银粉的前驱体粉末放在氧化铝坩埚中，空气气氛下煅烧，煅烧温度为600℃，煅烧时间为10分钟，煅烧工艺为：首先以5℃/分钟的升温速率升温到100℃，保温30分钟；以4℃/分钟的升温速率从100℃升温到150℃，保温10分钟；然后以1℃/分钟的升温速率从150℃升温到200℃，保温30分钟；以1℃/分钟的升温速率从200℃升温到260℃，保温10分钟；以1℃/分钟的升温速率从260℃升温到300℃，保温10分钟；以2℃/分钟的升温速率从300℃升温到600℃，保温10分钟；待温度降低到室温时，取出煅烧后前驱体粉末，即得到类球形多孔银粉。
Claims (4)
1.一种类球形多孔银粉的工业化制备方法，其特征是：先将碳酸银原料溶于氨水溶液中，充分混匀，配制成5～25wt.％的银铵溶液，再将所配制的银铵溶液导入喷雾干燥设备进行喷雾干燥，获得类球形多孔银粉的前驱体粉末，然后将所获得的前驱体粉末进行煅烧处理，再经降温到室温时取出，即得到类球形多孔银粉；
所述煅烧处理过程为：
(a)在空气或惰性气体气氛下，惰性气氛为普通氮气或氩气，首先以5℃/分钟的升温速率升温到100℃，保温10～30分钟；
(b)以2～4℃/分钟的升温速率从100℃升温到150℃，保温10～30分钟；然后以1℃/分钟的升温速率从150℃升温到200℃，保温10～30分钟；
(c)以1～2℃/分钟的升温速率从200℃升温到260℃，保温10～30分钟；
(d)以1℃/分钟的升温速率从260℃升温到300℃，保温10～20分钟；
(e)以2～3℃/分钟的升温速率从300℃升温到400℃～600℃，保温10～40分钟。
2.根据权利要求1所述的工业化制备方法，其特征是采用以下步骤的方法制备类球形多孔银粉的前驱体粉末：
a.将碳酸银原料溶于浓度为5～20wt.％氨水溶液中，充分混匀，配制成5～25wt.％的溶液；
b.再将所配制的溶液导入喷雾干燥设备中进行喷雾干燥，获得类球形多孔银粉的前驱体粉末，该粉末粒度为0.5～10μm。
3.根据权利要求2所述的工业化制备方法，其特征是喷雾干燥温度控制在100～200℃，环境气氛为空气或惰性气体。
4.根据权利要求1或2所述的工业化制备方法，其特征是碳酸银原料由碳酸银或硝酸银与碳酸钠或碳酸氢钠配制而成，硝酸银与碳酸钠或碳酸氢钠的配比为1∶1.1～2.0。
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