一种金属颗粒及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202210578685.2 | 申请日 | 2022-05-25 | 公开(公告)号 | CN115283687B | 公开(公告)日 | 2024-05-17 |
| 申请人 | 苏州艾美特企业管理有限公司; | 发明人 | 龚强; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种金属颗粒及其制备方法，其中所述金属颗粒的制备方法包括以下步骤：在第一分散剂和第二分散剂的存在下，使含金属源的 氧 化剂与还原剂进行 氧化还原反应 ，以得到所述金属颗粒；其中所述第一分散剂包含低分子量的第一 有机 溶剂 和至少一种 纳米粒子 ；并且其中所述第二分散剂包含高分子量的第二 有机溶剂 。本发明的金属颗粒具有高收缩比、高 比表面积 、高球形度等优点，且制备方法简单高效。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种制备金属颗粒的方法，其包括：在第一分散剂和第二分散剂的存在下，使含金属源的氧化剂与还原剂进行氧化还原反应，以得到所述金属颗粒； |
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| 说明书全文 | 一种金属颗粒及其制备方法技术领域[0001] 本发明属于金属材料领域，具体地，涉及一种金属颗粒及其制备方法。 背景技术[0002] 贵金属主要是指金、银和铂族金属(钌、铑、钯、锇、铱、铂)等8种金属元素，这些金属大多数拥有美丽的色泽，具有较强的化学稳定性，一般条件下不易与其他化学物质发生化学反应。贵金属粉末在制备太阳能电池浆料‑电子元器件、导电胶等方面具有重要的用途，特别是作为一种导电填料的银粉，是目前使用最为广泛的贵金属粉末。 [0003] 金属粉末的性能不仅包括粒径大小，还包括形貌结构和内部结构，对于金属浆料的性质具有决定性作用。内部多孔金属粉末是近年发展起来的一种新型材料，由于金属粉末颗粒细小，大量的内部空隙使得多孔金属粉末具有较大的比表面积、小的比重、优良的渗透性。空心金属粉末由于其可广泛用于催化、电化学、药物递送等而成为新的热点。 [0004] 目前，金属颗粒的主要制备方法包括：生物模板法、液相还原法、化学沉积法、热解法等，但模板法工艺复杂，成本高；液相还原法成本昂贵，液相微波法反应苛刻，难以大工业化生产。例如，CN101905330A公开了利用嗜热链球菌制备的空心银的制备方法，CN101912970A公开了喷雾法制备得到球形多孔银粉的制备方法，但存在反应条件要求苛刻，屑粉较多，粒径分布不匀等问题。 [0005] 因此，仍然需要一种能够制得空腔比率高、比表面积大、球形度好的金属颗粒，且过程简单、成本低的制备方法。 发明内容[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中的上述不足，提供一种金属颗粒的制备方法，所述金属颗粒具有高收缩比、高比表面积、高球形度等优点，且制备方法简单高效。 [0010] 在本发明提供的制备方法中，第一分散剂和第二分散剂的存在对制备具有高收缩比、高比表面积、球形度高等优点的金属颗粒起着关键性作用，这是因为第一分散剂中的低分子量有机溶剂可有效包覆纳米粒子，形成包覆团；第二分散剂中的高分子量有机溶剂的大分子然而可以很好地和包覆团相互嵌入，形成均相化体系，使得在氧化还原一阶段反应的纳米粒子不易团聚。更具体地，在氧化还原反应初期的一阶段，由于第一分散剂的有机溶剂作用，能防止氧化还原初期反应生成的金属微粒粘连成金属膜片结构；在反应数秒或数分钟后形成一阶段的金属微粒，且在形成的金属微粒内部具有空腔；随后一阶段新生的金属微粒在第二分散剂环境下聚合形成金属颗粒，且这种金属颗粒内部存在较大的空腔；这是由于在二阶段反应中，第二分散剂的高分子量有机大分子在金属微粒聚合过程中形成了金属微粒之间的较大空腔。 [0011] 如上所述，本发明的含金属源的氧化剂与还原剂只要在第一分散剂和第二分散剂的存在下进行氧化还原反应即可，对于反应的初始体系以及氧化剂和还原剂的添加顺序等没有特别限制。例如，可以将氧化剂预先加入到第一分散剂和第二分散剂的体系中，然后再加入还原剂，从而进行氧化还原反应；可以将还原剂预先加入到第一分散剂和第二分散剂的体系中，然后再加入氧化剂，从而进行氧化还原反应；或者可以将氧化剂和还原剂同时加入到第一分散剂和第二分散剂的体系中，从而进行氧化还原反应。也就是说，本发明的氧化剂和还原剂可以分别单独或同时与第一分散剂和第二分散剂的体系进行混合，而没有特别限制。另外，所述氧化剂和还原剂也可以采用补料进料方式提供。 [0012] 对于本发明的第一分散剂和第二分散剂，其均包含有机溶剂，但区别在于两者中的有机溶剂的分子量不同，即第二分散剂中包含的有机溶剂(即第二有机溶剂)的分子量高于第一分散剂中包含的有机溶剂(即第一有机溶剂)的分子量。在本发明的一个实施方式中，所述低分子量和高分子量也可以以一个特定的分子量，例如1200Da来进行分割。因此，在该实施方式中，所述第一有机溶剂可以是分子量小于或等于1200Da(例如小于或等于1000Da、或者小于或等于800Da)的有机溶剂，所述第二有机溶剂可以是分子量大于1200Da(例如大于1500Da)的有机溶剂。 [0013] 第一有机溶剂和第二有机溶剂除了在分子量上的区别外，对于两者的种类没有特别限制。例如，在本发明的一个实施方式中，所述第一有机溶剂和所述第二有机溶剂各自独立地选自有机酸(包括但不限于脂肪酸)、阿拉伯胶、酯类、醚类、醚酯类、酮类、胺类、醇类、吡啶类和吡咯烷酮类有机溶剂中的至少一种。即，所述第一有机溶剂和所述第二有机溶剂可以相同或不同，且可以包含一种或多种上述有机溶剂。 [0014] 更具体地，在本发明的一个实施方式中，所述第一有机溶剂可以选自脂肪酸及其盐、烷基硫酸及其盐、烷基苯磺酸及其盐、直链烷基苯磺酸及其盐、顺烯丁二酸及其盐、1‑乙烯基吡咯烷酮、N‑乙烯基吡咯烷酮、甲基吡咯烷酮、十三烷基醚硫酸三乙醇、辛基胺、乙醇、聚乙二醇、烷基硫酸三乙醇、丙三醇、烷基醚硫酸酯盐、山梨糖醇、脱水山梨糖醇、聚山梨酯(吐温)、失水山梨醇脂肪酸酯(司盘)、卵磷脂、聚山梨酯二烷基二甲基氯化铵、氯化烷基吡啶、聚氧乙烯烷基醚(AE)、聚氧乙烯烷基苯基醚(APE)、烷基羧基甜菜碱和磺基甜菜碱中的至少一种；所述第二有机溶剂选自阿拉伯胶、萘磺酸盐的甲醛缩合物、聚丙烯酸盐、乙烯基化合物与羧酸类单体的共聚物盐、羧甲基纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酸部分烷基酯和/或多亚烷基多胺、聚亚乙基亚胺和/或氨基烷基甲基丙烯酸酯共聚物、聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酸、聚氧乙烯烷基醚和聚氧乙烯烷基苯基醚中的至少一种；但不限于此。 [0015] 另外，本发明的第一分散剂还包含至少一种纳米粒子，其中所述纳米粒子可以选自有机纳米簇、非金属氧化物、单质金属、金属氧化物和金属无机盐中的至少一种，优选地，所述纳米粒子的尺寸可以为0.1‑90nm(例如0.1nm、0.2nm、0.5nm、1nm、2nm、5nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、70nm或90nm、1‑50nm、0.1‑40nm等)。 [0016] 更具体地，在本发明的一个实施方式中，所述有机纳米簇可以选自纤维素和有机碳水化合物中的至少一种；所述非金属氧化物可以选自硅、碳和氮的氧化物(即氧化硅、氧化碳、氧化氮)中的至少一种；所述金属可以选自金、银、铂、钯、钴、铜、镍和锌中的至少一种；所述金属氧化物可以选自金、银、铂、钯、钴、铜、镍和锌的氧化物中的至少一种；并且所述金属无机盐可以选自金属硫酸盐和/或硝酸盐(例如硫酸钠、硫酸铵、硫酸钾、硫酸铜、硫酸铁、硝酸钠、硝酸钾、硝酸铁或硝酸铜等)，但不限于此。 [0017] 对于本发明的含金属源的氧化剂，其中金属源(通常是指金属离子)在氧化还原过程中将被还原为金属，因此本发明的含金属源的氧化剂可以是任何含金属离子的化合物，其中所述金属包括但不限于金、银、铂、钯、钴、铜、镍和锌中的至少一种，或者所述金属可以特别为贵金属，例如金、银和铂族金属(钌、铑、钯、锇、铱、铂)中的至少一种。例如，在本发明的一个实施方式中，所述含金属源的氧化剂可以选自无机金属盐、有机金属盐和金属络合物中的至少一种。 [0018] 更具体地，在本发明的一个实施方式中，所述无机盐可以为例如碳酸盐、碳酸氢盐、磷酸盐、亚磷酸盐、磷酸氢盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氯酸盐、溴酸盐、碘酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐和硫酸氢盐等中的至少一种；所述有机盐可以为例如乙酸盐、己二酸盐、天冬氨酸盐、苯甲酸盐、苯磺酸盐、樟脑磺酸盐、柠檬酸盐、环己胺磺酸盐、乙二磺酸盐、甲酸盐、反丁烯二酸盐、葡萄庚糖酸盐、葡萄糖酸盐、葡萄糖醛酸盐、六氟磷酸盐、2‑羟乙磺酸盐、乳酸盐、苹果酸盐、顺丁烯二酸盐、丙二酸盐、甲磺酸盐、甲基硫酸盐、萘酸盐、2‑萘磺酸盐、烟碱酸盐、硝酸盐、草酸盐、十六酸盐、焦谷氨酸盐、葡萄糖二酸盐、硬脂酸盐、水杨酸盐、单宁酸盐、酒石酸盐、甲苯磺酸盐和三氟乙酸盐等中的至少一种；并且所述金属络合物可以为例如铵盐、金属氨溶液等。 [0019] 对于本发明的还原剂，本发明的制备方法对于还原剂的种类没有特别限制，只要其还原能力足够将氧化剂中的金属源还原为金属即可。例如，在本发明的一个实施方式中，所述还原剂选自肼类(肼、肼一水合物、苯肼、硫酸肼等)、胺类(二甲氨基乙醇、三乙基胺、辛基胺、二甲基氨基硼烷等)、有机酸类(柠檬酸、抗坏血酸、酒石酸、苹果酸、丙二酸、或它们的盐、甲酸、甲醛等)、醇类(甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇、苯并三唑等)、醛类(甲醛、乙醛、丙醛)；氢化物类(硼氢化钠、硼氢化锂、三乙基硼氢化锂、氢化铝锂、二异丁基氢化铝、三丁基氢化锡、三仲丁基硼氢化锂、三仲丁基硼氢化钾、硼氢化锌、乙酰氧基硼氢化钠)、过渡金属的盐类(硫酸铁、硫酸锡)、吡咯烷酮类(聚乙烯吡咯烷酮、1‑乙烯基吡咯烷酮、N‑乙烯基吡咯烷酮、甲基吡咯烷酮)和羟胺类(硫酸羟胺、硝酸羟胺)还原剂中的至少一种。 [0020] 对于本发明的制备方法中的第一分散剂和第二分散剂、氧化剂以及还原剂的用量，在本发明的一个实施方式中，相比于所述氧化剂中金属(即金属源)的摩尔量，所述还原剂的摩尔量可以为0.1‑9倍，优选0.5‑7倍，更优选1‑5倍(例如1倍、2倍、3倍、4倍或5倍等，优选正好完成氧化完全反应)。当所述还原剂的用量过低时，可能会残存未还原的金属；且当所述还原剂的用量过高时，反应可能会过快，导致凝结粒子增加，最终粒径的偏差可能会增大。在本发明的另一个实施方式中，相比于所述氧化剂中金属(即金属源)的重量，所述第一分散剂的重量可以为0.1‑40wt％(例如0.1wt％、0.5wt％、1wt％、5wt％、10wt％、20wt％或40wt％等)，所述第二分散剂的重量可以为1‑60wt％(例如1wt％、5wt％、10wt％、20wt％、 40wt％或60wt％等)，并且所述纳米粒子的重量可以为0.0001‑1.0wt％(例如0.0001wt％、 0.001wt％、0.01wt％、0.1wt％或1wt％等)，优选0.005‑0.01wt％。 [0021] 另外，对于本发明的制备方法的反应条件，其可以在常温下或者在适当加热的条件下进行。例如，在本发明的一个实施方式中，所述反应可以在1‑90℃，优选20‑80℃，更优选25‑50℃(例如25℃、30℃、35℃、40℃、45℃或50℃等)的温度下进行。为了实现均匀反应，本发明的制备方法还可以在搅拌下进行，例如搅拌速度可以为5rpm‑1000rpm。 [0022] 特别地，本发明的制备方法还可以包括在所述氧化还原反应之后或之前加入絮凝剂，但也可以由于选用了不同的分散剂，从而无需再加入絮凝剂，所述絮凝剂可以改变颗粒及其与其它颗粒结合的表面上的电荷电位，再经过分离即可得到不含母液的纳米金属颗粒。在本发明的一个实施方式中，所述絮凝剂可以选自脂类化合物、羧酸类化合物或无机盐。更具体地，在本发明的一个实施方式中，所述脂类化合物包括脂前体及其衍生物，如饱和脂肪酸及其盐或不饱和脂肪酸及其盐，优选地，所述饱和脂肪酸选自辛酸、癸酸、月桂酸、豆蔻酸、软脂酸、硬脂酸和花生酸中的至少一种；所述不饱和脂肪酸选自油酸、亚油酸、山梨酸、亚麻酸和花生四烯酸中至少一种；所述羧酸类化合物为具有碳‑碳双键的化合物、二羧基化合物和二羟基化合物中的至少一种，所述无机盐选自硫酸盐、硝酸盐和铵盐的至少一种，但不限于此。在本发明的另一个实施方式中，所述絮凝剂的加入量可以为所述金属颗粒的重量的0.001％‑20％(例如0.001％、0.01％、0.1％、1％、10％、15％或20％等)。 [0023] 在另一方面，本发明还提供了通过上述方法制备得到的金属颗粒。 [0024] 如上所述，在第一分散剂和第二分散剂的作用下，通过氧化还原反应得到的本发明的金属颗粒具有空腔，该空腔不仅包括一阶段反应过程中形成于金属微粒内部的封闭空腔，还包括二阶段的形成于金属微粒之间的空腔，且金属微粒之间的空腔有可能开口于金属颗粒的表面。因此，本发明提供的金属颗粒具有高收缩比、高比表面积、球形度高等优点，适于应用于印刷电路板、太阳能电池等技术领域。在本发明的一个实施方式中，所述金属颗粒的空腔比率可以不低于2.97％。 [0025] 应当注意的是，在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。 [0026] 在详细描述本发明前，应了解，在此使用的术语只在于描述特定的实施方式，而不希望限制本发明的范围，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。为了更完全地了解在此描述的本发明，采用以下术语，它们的定义如下所示。除非另外定义，在此使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所理解的相同的含义。附图说明 [0028] 图1示出了通过本发明实施例1制得的银金属颗粒； [0029] 图2示出了通过本发明实施例2制得的单个银金属颗粒的显微镜下观察结果，且表面具有多空穴结构； [0030] 图3示出了通过本发明实施例2制得的单个银金属颗粒的显微镜下观察结果，但显示出有一个微粒没有完全聚合到银颗粒表面； [0031] 图4示出了通过本发明实施例3制得的单个银金属颗粒的显微镜下观察结果； [0032] 图5示出了通过本发明实施例1制得的银金属颗粒中的单粒的切割剖面图，放大倍数80K； [0033] 图6示出了通过本发明实施例2制得的银金属颗粒中的单粒的切割剖面图，放大倍数50K； [0034] 图7示出了通过本发明实施例2制得的银金属颗粒中的另一单粒的切割剖面图，放大倍数50K； [0035] 图8示出了通过本发明实施例3制得的银金属颗粒中的单粒的切割剖面图，放大倍数50K； [0036] 图9示出了通过本发明实施例4制得的银金属颗粒中的单粒的切割剖面图，放大倍数50K； [0037] 图10示出了通过本发明对比例1制得的银金属颗粒中的单粒的切割剖面图，放大倍数50K；以及 [0038] 图11是图9的局部放大图。 具体实施方式[0039] 以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。 [0040] 在以下实施例中，对于金属颗粒的切割方法采用FIB‑SEM技术，采用镓粒子聚焦离子束切割金属颗粒，把单个金属颗粒切开使得金属颗粒的截面露出，再使用扫描电子显微镜SEM对颗粒截面进行观察。 [0041] 实施例 [0042] 实施例1 [0043] 将10mL山梨糖醇和35μg的40‑90nm纤维素混合得到第一分散剂，将羧甲基纤维素溶于35mL水配制成质量浓度6.5％的溶液作为第二分散剂；将上述制得的第一分散剂和第二分散剂混合搅拌均匀得到分散剂体系，将溶液保持在35℃恒温状态； [0044] 另将17g硝酸银加入到装有一定量的水的烧杯中搅拌均匀，然后将得到的硝酸银溶液添加到分散剂体系中，随后在搅拌状态下加入20％质量浓度的含有20g硫酸羟胺的溶液，反应之后加入油酸，得到具有孔穴结构的银金属颗粒。显微镜观察结果如图1所示。 [0045] 实施例2 [0046] 将15mL顺烯丁二酸和20μg的20‑50nm纳米氧化银混合得到第一分散剂，将3.5g阿拉伯胶溶于50mL水配制成溶液作为第二分散剂；将上述的第一分散剂和第二分散剂混合搅拌均匀得到分散剂体系，将溶液保持在35℃恒温状态； [0047] 配制25％质量浓度的含有20g抗坏血酸溶液，将抗坏血酸溶液添加到前述制得的分散剂体系中，另将17g硝酸银加入到50mL的水溶液中搅拌均匀，随后在搅拌状态下将硝酸银溶液加入到上述溶液中进行反应，反应之后加入月桂酸，得到具有孔穴结构的银金属颗粒。显微镜结果如图2和图3所示，其中图2所示银金属颗粒的粒径为2.2μm；图3所示银金属颗粒的粒径为1.5μm，但显示出有一个微粒没有完全聚合到银颗粒表面的情形。 [0048] 实施例3 [0049] 将3g吐温和15μg的10‑20nm纳米银在水中混合得到第一分散剂，将PVP溶于35mL水配制成质量浓度6.5％的溶液作为第二分散剂；将上述制得的第一分散剂和第二分散剂混合搅拌均匀得到分散剂体系，将溶液保持在25℃恒温状态； [0050] 另将15gVC加入到装有一定量的水的烧杯中搅拌均匀，然后将得到的VC溶液添加到分散剂体系中，随后在搅拌状态下快速加入20％质量浓度的含有10g硝酸银的溶液，反应之后加入油胺，得到具有孔穴结构的银金属颗粒。显微镜结果如图4所示。 [0051] 实施例4 [0052] 将5g烷基苯磺酸钠溶于水和10μg的10‑90nm纳米氧化硅混合得到第一分散剂，将3.5g聚乙烯吡咯烷酮溶于35mL水配制成溶液作为第二分散剂；将上述制得的第一分散剂和第二分散剂混合搅拌均匀得到分散剂体系，将溶液保持在30℃恒温状态； [0053] 随后在分散剂体系搅拌的状态下，同时向其中加入质量浓度为30％含有17g硝酸银溶液和质量浓度28％的含有5g水合肼的溶液，反应之后加入硬脂酸钠，得到具有孔穴结构的银金属颗粒。 [0054] 对比例1 [0055] 15μg的10‑20nm纳米银在和PVP混合配制成质量浓度9％的溶液作为分散剂；将溶液保持在25℃恒温状态； [0056] 另将25gVC加入到装有一定量的水的烧杯中搅拌均匀，然后将得到的VC溶液添加到分散剂体系中，随后在搅拌状态下快速加入25％质量浓度的含有15g硝酸银的溶液，反应之后加入亚油酸，得到银金属颗粒。 [0057] 对上述实施例1‑4和对比例1中的金属颗粒进行切割，如上所述，对于金属颗粒的切割方法采用FIB‑SEM技术，采用镓粒子聚焦离子束切割金属颗粒，把单个金属颗粒切开，使金属颗粒的截面露出，再使用扫描电子显微镜SEM对颗粒截面进行观察。实施例1得到的金属颗粒切割后的剖面示意如图5所示；实施例2得到的金属颗粒切割后的剖面示意如图6、图7所示；实施例3、4得到的金属颗粒切割后的剖面示意如图8、图9所示；并且对比例1得到的金属颗粒切割后的剖面示意如图10所示。 [0058] 在SEM观测下，采用正投影通过辨识图片不同衬度，来计算不同衬度下图5‑10的银金属颗粒粒径、银金属颗粒切面的面积及空腔面积，其结果如下表1所示。其中，测量结果通过三次测量的平均值计算，并且空腔比率＝空腔面积/银金属颗粒切面的面积。 [0059] 表1 [0060] 2 2附图编号 颗粒直径(μm) 颗粒切面面积(μm) 空腔面积(μm) 空腔比率 图5 1.83 2.63 0.23 8.64％ 图6 2.33 4.26 0.13 2.97％ 图7 2.32 4.23 0.32 7.67％ 图8 2.20 3.80 0.42 11.16％ 图9 2.70 5.72 0.34 5.93％ 图10 2.25 3.97 0.01 0.25％ [0061] 从图5‑10以及表1的结果可以看出，对比例1方法所得的银金属颗粒的空腔比率低，仅能达到0.25％，相比之下，本发明示例性方法(实施例1‑4)制备得到的银金属颗粒则具有较好的比表面积、高收缩比、高球形度，且空腔比率至少在2.97以上，甚至能够达到11.16％。 [0062] 另外，图11是图9的局部放大图，其中清楚地示出了本发明的金属颗粒的空腔，其包括两种类型：一阶段新生的金属微粒内部的空腔，以及二阶段反应中在金属微粒聚合过程中形成的金属微粒之间的较大的空腔。 [0063] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。 [0064] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。 [0065] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。 |
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