[发明专利]火焰燃烧制备纳米材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的制备方法，特别涉及金属、金属氧化物及其复杂结构的纳米材料的制备方法。

背景技术

纳米颗粒特有的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使得它具有许多与体相材料不同的物理化学特性。因此，纳米颗粒在材料化学、催化化学以及生物医学等领域表现出巨大的应用前景。

纳米材料的合成方法可以粗略地分为物理方法和化学方法。化学方法的典型代表是溶液(湿)化学方法；物理方法的典型代表是粉碎法。此外，采用极端的条件(如：高温、高压及高真空等)制备特殊结构和形貌的纳米材料已经成为一个不可忽视的方法。然而，从文献报道看，在上述极端条件反应制备方法中，有火焰参与的纳米材料的制备方法并不多见，归纳起来可大致分为以下几种：凝胶燃烧法、催化燃烧法和火焰喷雾热解法等。

凝胶燃烧法：中国专利申请号：200510018263.6、200510068007.8以及200610109215.2介绍了通过燃烧凝胶来制备纳米材料的方法。该方法需先制备含有金属化合物的凝胶，再将该凝胶燃烧得到含有纳米材料的灰粉，通过对该灰粉的研磨、煅烧，最终得到纳米材料。首先，该方法是需要先形成含有金属离子的凝胶，因此，具有非常大的局限性；其次，材料制备过程复杂，属间歇制备过程，不适合连续生产。

催化燃烧法：中国专利申请号：200510119084.1和200510016849.9介绍了碳管的燃烧制备方法。在制备过程中所采用的原料是聚烯烃，制备过程中需要添加金属催化剂和蒙脱土。通过燃烧上述聚烯烃，在灰烬得到纳米碳管。由于产物中含有蒙脱土，因此，产物还需要经过特殊的纯化过程。该方法除了具有上述凝胶燃烧方法的缺陷外，只适合制备纳米碳管材料。

火焰喷雾热解法：中国专利申请号：03815626.1和00129582.9介绍了火焰喷雾热解法。其原理是将纳米材料的前驱体配成溶液，然后将其以雾滴的方式喷射到高温炉体内，通过金属前驱体在高温下的燃烧或热分解来实现纳米材料的制备，最终在反应炉的底部收集得到纳米材料。最近，王中林(science，2006，312，1504～1508)利用该方法制备了钛掺杂的二氧化铈纳米材料。喷雾热解法的缺点是需要一套复杂的设备，并且由于燃烧炉的限制，使反应过程的可操控性大大降低。另外，该方法的前驱体溶液需要借助气体的喷入才能雾化，这样也加大了反应过程的复杂性和不可控性。

总之，目前还没有一种合适的利用燃烧制备纳米材料的方法，这样的方法适用于多种无机纳米材料和纳米碳管及无定形纳米碳材料的制备，而且可以采用简单的设备实现连续生产。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种火焰燃烧制备纳米材料的方法，通过在空气中直接燃烧不同种类金属化合物的有机溶液来制备不同种类和形貌的纳米材料，并且还提供通过火焰燃烧方法制备的纳米材料。

具体而言，本发明包括以下方面。

本发明是以有机溶剂为燃烧物和碳提供体，以可溶于有机溶剂的金属化合物为纳米材料的金属前驱体，通过在空气中直接燃烧可溶性金属化合物前驱体的有机溶液，在火焰的不同位置上收集得到纳米材料；其中，可溶性金属化合物作为纳米材料中的金属元素来源；有机溶剂除了用于溶解金属化合物之外，还用于提供碳源。

本发明的金属化合物前驱体是选自铁、钴、镍、锰的乙酰丙酮盐、醋酸盐、草酸盐、柠檬酸盐、葡萄糖酸盐、羰基配合物、氯化物，钇或镧系稀土金属的乙酰丙酮盐、氯化物，或者钛酸酯中的至少一种。其中，由于副族金属铁、钴、镍、锰的性质十分相似，因此由他们的同一类金属前驱体都能得到类似的产物。

本发明的有机溶剂是常用的易燃有机溶剂，包括醇类、醛类、酮类、酯类、烷烃类、吡咯烷酮及其衍生物、聚丙烯酸类、苯及其衍生物、聚乙二醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、硅氧烷类等，这些有机溶剂可以单独或者组合使用。

采用本发明的方法，在火焰内焰收集得到的纳米材料包括金属纳米颗粒材料、带有碳壳的金属纳米材料、带有碳壳的金属氧化物纳米材料、金属氧化物空心纳米球或纳米碳管，在火焰外焰收集得到的纳米材料包括所述的金属氧化物纳米颗粒材料或具有无机/无机异质结构的纳米颗粒材料。