[发明专利]双金属/碳层状复合球的一步微波制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及应用于光学、催化和生物传感等领域的双金属/碳层状复合球及其简单、快速的制备方法，尤其是一步微波实现两种不同电荷的金属或金属络合离子在碳内部和表面同时被还原，从而获得层状结构的双金属/碳复合球的制备方法。

背景技术

将金属纳米粒子掺杂到球形基体的内部或表面，可获得不同于金属纳米粒子及其随机聚集体的催化、磁、电、光等性能。纳米粒子自身的小尺寸效应、集体效应、金属-基体间的协同作用对性能的提高具有重要影响。尤其是在催化方面，基体材料的微孔对纳米粒子产生限域效应，能够增强催化活性。而且，将两种及两种以上具有特定功能的金属纳米粒子与基体复合，能够实现多种性能集于一身，在许多领域拥有巨大的应用潜力。

微孔碳球具有高比表面积、良好的结构稳定性、低电阻以及可大规模制备、尺寸可控等优点，已成为重要的基体材料之一。它们已被广泛应用于药物输运、生物诊断、高容量电池等。多种金属纳米粒子掺杂到微孔碳球的内部和表面，可获得高活性和高选择性的纳米复合催化剂。例如，小分子能进入孔内并和内部纳米粒子反应，而大分子只能与表面的纳米粒子作用。此外，其它性能(如光学)也可通过调节粒子的尺寸、组分比和数密度等进行调控。

近年来，国内外大量研究已致力于碳球的纳米掺杂，但主要局限于表面包覆。利用传统加热技术，材料受热不均匀，金属纳米粒子只能在碳球的表面形成，且反应速率很慢。特别是，以两种离子混合液为前驱体时，无论在溶液中均相成核还是在载体表面异相成核，在传统加热下发生共还原往往形成合金。利用两步法(即先获得碳包覆金属纳米粒子的复合球，然后在球表面沉积第二种金属)可以实现两种金属粒子的掺杂，但步骤繁琐，产物不均一，且每个碳球内往往只能包裹一个金属纳米粒子。通过一步反应，选择性地在基体内部和外部同时生长两种及以上金属纳米粒子从而获得多层复合结构尚未有报道。

微波加热具有热损耗小、快速和简便等优点，特别是，由于不同材料对微波的吸收速率不同，微波具有选择性加热的特性。因此，发展一种简单、快速和经济的微波辅助制备方法，以金属离子的混合液为前驱体，能实现在碳球不同位置同时生成两种金属粒子。这不仅能克服在碳球内部一步生长两种以上金属纳米粒子的困难，同时将打破传统加热下混合金属离子共还原通常只生成合金的局限，对纳米功能复合材料的设计、制备和应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的：提出双金属/碳层状复合球及其简单、快速的制备方法。采用不同电荷金属离子的混合液为前驱体，一步在碳球内部和外部同时生长多种金属粒子。该方法克服了在碳基体不同位置同时生长两种以上金属纳米粒子的困难，同时打破了传统加热下混合金属离子共还原通常只生成合金的局限。利用本发明提供的方法制得的复合球在催化、光学和医学等领域具有潜在的应用。

本发明的技术方案：本发明的双金属/碳层状复合球的一步微波制备方案是：在室温下，将0.1-0.3g干燥的微孔碳球加入到20-100mL金属前驱体混合液中，进行浸渍，混合溶液由一种正电荷和一种负电荷的金属或金属络合离子组成。正离子包括[Ag(NH₃)₂]⁺、Pd²⁺、Au⁺等，负离子为MCl_n(M＝Au、Pd、Pt等，n＝4或6)。在浸渍后的碳球悬浮液中加入0.02-0.08g聚乙烯吡咯烷酮还原剂并剧烈搅拌至完全溶解。然后，将悬浮液置于功率、温度和时间可调控的微波反应器中，微波加热反应2-10min。产物在空气中自然冷却至室温，用去离子水、无水乙醇反复离心清洗，最后在烘箱中烘干或干燥6h以上。

所述微孔碳球的制备可采用已有的常规方法，如水热法，具体步骤为：将配制好的0.3mol/L(M)蔗糖水溶液装入88mL的反应釜中(填充率为50％)，在190℃下恒温反应2-8h，然后反应釜被取出后在空气中自然冷却。产物用去离子水和无水乙醇反复离心、清洗，最后在40℃下干燥。

碳球的直径在250-1200nm范围内可调，孔隙直径＜2nm，每次最佳使用量为0.1-0.3g。