[发明专利]多壳层金属氧化物空心球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体地说，本发明涉及一种多壳层金属氧化物空心球及其制备方法。

背景技术

金属氧化物广泛应用于锂电池、气敏传感器、紫外探测器、药物运输、催化领域。纳米或微米尺度的多壳层空心球具有低密度、大比表面、中空结构以及由纳米粒子构成的多壳层等特点，因而被广泛用于与表面性质相关的领域，例如作为催化剂、药物缓释剂、气敏材料、光催化材料等，此外，其在光子晶体、诊断学、药理学等方面也具有潜在的应用价值。

目前，制备金属氧化物多壳层空心球的报道较少，其制备方法主要有硬模板法和软模板法两种。硬模板法通常采用聚合物空心球作为模板，要经过一个磺化处理的过程，首先制备聚合物空心模板，接着用浓硫酸处理，以在其表面修饰一层电荷，最后在修饰后的微球上包覆壳物质，并经过热处理或用有机溶剂溶掉中间层的有机物，得到双层结构的空心球。文献Angewandte Chemie-International Edition 42(2003)1943-1945中报道了利用这种方法制备的氧化钛等双壳层空心球。这种方法要经过制备空心模板和表面修饰步骤，工艺流程长、制备过程复杂，而且难以实现壳层数目多于三层的空心球的合成。软模板法通常采用表面活性剂、气泡等作为模板。文献Chemistry-A European Journal，14(2008)：5346-5352中报道了利用双气泡法制备水铁矿双壳层空心球。文献Angewandte Chemie-International Edition，46(2007)：1489-1492中报道了利用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵制备Cu₂O多壳层空心球。文献Advanced Functional Materials，17(2007)：2766-2771中报道了以氨基酸为模板制备多壳层Cu₂O空心球。但是，上述这些软模板法只适用于文献涉及到的特定化合物空心球的制备，难以应用到其他金属氧化物多壳层空心球的合成。

发明内容

针对现有技术制备多壳层空心球存在的不足，本发明的目的在于提供一种简单易行、可控性高、成本低且具有普适性的金属氧化物多壳层空心球的制备方法。

本发明的技术方案如下：一种多壳层金属氧化物空心球的制备方法包括如下步骤：

A、以葡萄糖、蔗糖或淀粉为原料，配成0.25～1.10g/mL的水溶液，将溶液装入反应釜中，在160～220℃条件下加热50～300min，过滤、洗涤、干燥后得到碳球，将碳球分散于水中形成碳球的悬浮液；

B、将一定量金属盐溶于步骤A的碳球悬浮液中，金属盐的加入量为1～5mol/L，调节混合液的pH值小于3，在20～60℃搅拌下浸泡2～20h，过滤、洗涤、干燥，得到粉末材料；

C、对步骤B得到的粉末材料进行热处理，即可得到具有不同壳层结构的多壳层结构的金属氧化物空心球。

在本发明所述的多壳层金属氧化物空心球的制备方法中，所述金属盐为Fe、Zn、Co、Ni、Cu或Y的硝酸盐、氯化物、硫酸盐或醋酸盐。热处理条件优选为在空气气氛下，以1～5℃/min的升温速度，加热至400～800℃，保温0.5～3h。

在本发明所述的多壳层金属氧化物空心球的制备方法中，还可在加入金属盐之前对所述的碳球悬浮液进行超声处理。优选地，所述超声时间为3～30min。

本发明所述的制备方法，碳球模板的合成是一种绿色无污染，采用葡萄糖、蔗糖或淀粉为原料，合成过程无需使用任何有机溶剂、引发剂和表面活性剂。碳球模板的尺寸可以由水热温度和时间控制，碳球表面保留了大量的官能团，有利于后续的金属离子吸附。

本发明所述的制备方法，将合成的碳球模板分散于水中形成碳球的悬浮液，再将金属盐溶于上述碳球悬浮液中，这种方式有利于碳球吸附更多的金属离子。

本发明所述的制备方法，其关键在于控制金属盐浓度、溶液pH值、浸泡温度、浸泡时间以及选择具有不同阴离子的金属盐等吸附条件，使金属离子不仅仅吸附于碳球表面，而且能够进入碳球内部，为多壳层空心球的形成提供了必要条件。进一步，通过调节这些吸附条件来控制金属盐进入碳球模板的数量、深度和梯度分布，可以实现对最终产物壳层数、壳层厚度和层间距的控制。