[发明专利]纳米结构的金属和金属化合物的制备及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备纳米结构的金属和金属化合物的方法及其应用。

背景技术

纳米结构的材料在过去的二十年里引起了人们很大的技术兴趣，这主要是因为它们广泛的应用：用作催化剂、分子筛、隔板或气体传感器，以及用于电子和电化学元件。迄今为止报道过的多数纳米结构材料的合成集中在模板辅助的倒置方法(template-assisted bottom-up process)上，包括软模板(螯合剂、表面活性剂、嵌段共聚物等)和硬模板(多孔氧化铝、碳纳米管和纳米多孔材料)方法或使用适宜的有机添加剂的基于溶液的方法。

发明内容

本发明的原则性目的是提供广泛适用于在室温下合成具有大表面积和明显的纳米多孔性的纳米结构的金属或金属化合物的方法。所述方法还应该是不使用模板的方法，不涉及到表面活性剂的使用。并且，所述方法应该优选能够进一步发展为能够制备纳米颗粒。此外，本发明涉及根据本发明方法的产品的具体用途。

为了满足这些目的，在方法方面提供了所述材料制备的普遍适用的方法，包括如下步骤：

a)取含有第一金属的化合物或第一金属合金的化合物的第一材料；

b)将所述第一材料插到电化学电池中作为第一电极，所述电化学电池包括第二电极和电解液，所述第二电极包括不同于第一材料中结合的金属的第二金属，所述电解液适于通过外部电路中的电流流动将第二金属输送到第一电极并将其插入到第一材料中，从而在第一电极材料中形成第二金属的化合物；和

c)在第二金属的化合物形成之后，处理第一电极材料以化学地和/或电化学地去除至少部分第二金属的化合物，以剩下具有纳米多孔结构的材料。

从P.Poizot、S.Laruelle、S.Grugeon、L.Dupont和J-M.Tarascon发表在Nature Vol.407，2000-9-28，p496-499中题为“Nano-sized transition-metaloxides as negative-electrode materials for lithium-ion batteries”的文献中关于锂离子电池的转化反应了解到以锂作为(第二)金属向以CoO作为(第一)金属化合物的电极材料中的插入。这篇限于锂离子电池的领域的文献，认识到当CoO颗粒用作电极与含有锂的其他电极在锂离子电池中发生如下反应：

CoO+2Li⁺+2e^-→Co+Li₂O              (1)

本发明在该现有技术的基础上，认识到通过在第二金属化合物形成之后处理第一电极，以化学去除或浸出至少部分第二金属化合物，剩下具有纳米多孔结构的材料的方法，可以得到纳米多孔金属、纳米多孔金属化合物、或金属和金属化合物的纳米多孔混合物形式的纳米多孔材料。并且，本发明不限于金属Co，而是通用于广泛的来自诸如MpX的金属化合物的金属，其中Mp指第一“母体”金属，该金属选自包括Pt、Ru、Au、Ir、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Hf、Ta、W、Re、Os、Tl、Pb和Bi及其合金的组中，X包括选自包括氧化物、硫化物、氟化物、氯化物、氮化物和磷化物的组中的化合物。

在实施该方法时，优选第二金属选自包括Li、Na、K、Cs、Mg、Ca和Al的组中。

化学去除至少部分第二金属化合物的一个基本可能性是，在形成第二金属的化合物之后，将第一选择材料浸入溶剂中以通过第二金属化合物的溶解或其与下列化学物质中的至少一种发生反应来化学去除第二金属化合物，所述化学物质是：水、稀硫酸、0.1～1.0M的硫酸、浓硫酸、0.1～1.0M的HCl和HNO₃，选择所述化学物质使其能够溶解第二金属的化合物而不与第一金属或第一金属化合物反应。所以，当在电化学电池中处理第一电极材料以将第二金属插入其中，并至少将部分第一金属的化合物或第一金属合金的化合物转化为第二金属的化合物之后，对第一电极材料进行直接化学处理，使制备纳米多孔材料成为可能。这样制备的纳米多孔材料以第一金属、或以第一金属合金的形式存在，或者当第二金属化合物未被完全地化学去除时，以第一金属或金属合金与其化合物的混合物的形式存在。这种纳米多孔材料的制备不需要任何模板或表面活性剂。