论文总字数：21134字

摘 要

纳米Co及相关合金在催化传感、电池、机械加工等领域有着优良性能。本文基于Ti-Co二元相图选择Ti₆₇Co₃₃、Ti₇₅Co₂₅两种合金成分，选用电弧熔炼炉制备合金。结合金相观察、XRD衍射和扫描电镜来研究Ti-Co前躯体合金的结晶状态和微观组织特征。将Ti-Co合金置于HF溶液中进行化学脱合金处理制备纳米多孔Co材料，利用XRD、SEM等分析手段研究HF溶液浓度对脱合金过程的影响及脱合金过程中多孔结构的形貌演变，确定Ti-Co合金在HF溶液中纳米多孔结构的形成机制。研究表明，Ti原子在HF溶液中会形成可溶性[TiF₆]^2-离子，HF溶液浓度、脱合金时间对Co多孔合金形貌的形成有很大影响；Co含量高利于形成结构均匀且孔径较小的纳米多孔结构。纳米多孔结构形成过程由表面扩散步骤控制。此外，在最佳脱合金浓度和最佳脱合金时间条件下得到的Co多孔合金具有孔结构均匀和孔径较小等优点。

关键词：Ti-Co合金 纳米多孔形成过程 化学脱合金 纳米多孔钴

A Study on the Activity Dissolution Process of TiCo Inter-Fund Compounds in Hydrofluoric Acid

Abstract

Nanometer Co and its related compounds are excellent materials in the fields of catalytic sensing, battery and machining. In this paper, two kinds of intermetallic compounds, Ti₆₇Co₃₃ and Ti₇₅Co₂₅, were selected based on Ti-Co binary phase diagram. The alloy was fused by arc melting according to the designed ratio. The crystal state and microstructure of the precursor alloy were studied by metallographic observation, XRD diffraction and SEM. The porous nanostructures were prepared by chemical dealloying. Based on nano porous structure of the main chemical composition and crystal type change, the structure of the porous morphology evolution, diffusion characteristics analysis, explore the solution environment on the influence of the porous morphology, and select the best alloy concentration, to obtain porous microstructure characteristic parameters, establish the nanoporous structure formation process and its inner mechanism. Studies have shown that Ti atoms form soluble [TiF₆]^2-ion in HF acid, and the concentration and time of dealloyed HF acid solution have a great influence on the formation of porous Co morphology. High Co content is conducive to the formation of uniform nanoporous structures with small pore size. The formation of nanoporous structures is controlled by surface diffusion. In addition, the optimum dealloying time at the optimum dealloying concentration was obtained. The best cobalt composition, pore structure and pore size were obtained under these conditions.

Key Words: Ti-Co alloy; Nanoporous Formation Process; Chemical Dealloying; Nano porous cobalt

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 I

第一章 绪论 1

1.1 纳米多孔金属材料 1

1.1.1 纳米材料 1

1.1.2 纳米多孔金属材料 1

1.1.3纳米多孔Co的应用研究 3

1.2 纳米多孔金属材料的制备 4

1.2.1 模板法 4

1.2.2 金属沉积法 4

1.2.3 金属粉体烧结法 4

1.2.4 脱合金法 5

1.3 脱合金法制备多孔金属材料的机理 5

1.4 本文研究内容和方法 6

1.4.1 研究内容 6

1.4.2 研究方法 7

第二章 实验部分 8

2.1 实验所需仪器、设备及材料 8

2.2 实验研究流程 8

2.2.1实验流程简述 8

2.2.2实验流程图 10

2.3主要表征测试方法 10

2.3.1结构分析 10

2.3.2形貌分析 11

第三章 实验结果与讨论 12

3.1 Ti-Co前驱体合金脱合金前相的分析 12

3.2 TiCo二元合金脱合金过程的电化学性能研究 13

3.3 Ti-Co二元合金脱合金过程的形貌变化 15

3.4 TiCo二元合金脱合金过程的成分及相变化 18

第四章 结论与展望 20

参考文献 21

致谢 24

第一章 绪论

1.1 纳米多孔金属材料

1.1.1 纳米材料

纳米材料是指在微观结构上至少有一个在纳米尺度范围内的一维方向的各种固态的材料。 一般情况纳米晶粒的尺寸都在1~100 nm的范围内, 主要是由纳米晶粒和纳米晶粒界面两部分构成。纳米材料所构成的物质的类别有多种，现代发展研究的主要有半导体纳米材料、金属纳米材料、有机纳米材料、有机与无机纳米复合材料等等。这些尺寸处于纳米级的各种材料，许多性质都会因为材料的纳米尺寸的因素而发生与一般材料不同的改变，如量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应^[1]。利用这些纳米材料独特的性质特征，在陶瓷行业、化工行业、电磁学行业以及生物医药行业等，纳米材料都有着广泛的研究发展^[2]。从纳米材料发现至今，纳米材料技术的发展与研究应用已经有了很大的改变，通过利用纳米材料而发展起来的技术也在对人类社会的进步与发展产生深远的影响。

1.1.2 纳米多孔金属材料

纳米多孔金属材料是指孔径尺寸达到纳米级尺度的材料, 它的孔径尺寸通常为几纳米至几十纳米。根据其孔径尺寸的大小可以将纳米材料分为3类：微孔（孔径小于2 nm），介孔（孔径2-50 nm），大孔（孔径大于50 nm）^[3]。这种纳米尺寸级别的孔径使纳米多孔金属能够具有更大的比表面积和更高的孔隙率，这些纳米孔隙的纳米尺寸效应使其具有独特的理化性质以及力学性能等, 纳米多孔金属材料在催化、力学、传感、表面增强拉曼散射(SERS)等方面的性能利用是目前的一些主要研究方面。

催化性能：以前使用纳米颗粒经常是作为负载型的金属催化剂，虽然它已经具有了一定的催化性能，但制备此类纳米颗粒的工艺操作过程较为复杂，不方便调控产物的均匀性，而且在使用时催化颗粒容易发生颗粒的少量凝聚，阻碍反应的进行，从而使催化剂失去原有的活性，另外当催化剂颗粒使用完后较难处理回收，增加了后期的处理费用，提高了成本^[4]。而非负载型的纳米多孔金属材料作为催化剂进行催化处理时，由于纳米多孔金属带有的三维双连续的韧带/通道结构，能够使得催化颗粒充分接触反应而不会产生凝聚，增加了反应的有效性，并且纳米多孔金属材料作为一种体相材料不易破坏，易于反应过后的回收，经过一些特殊处理，还可以重复利用。Zielasek ^[4]等人指出，使用纳米多孔Au薄膜作为催化剂催化反应时，可以省去基底材料的运用，另外，这种纳米多孔薄膜的热力学性质和力学性质都比较优越，可以促进反应的充分进行，因此这种薄膜作为催化反应中的潜力是非常巨大的，可以进一步加以研究。

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