[发明专利]纳米结构的电池活性材料及其制备方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年7月26日提交的美国临时申请号61/511,826的优先权，通过引用将其整体并入本文。

发明领域

本发明属于纳米技术领域。更具体地，本发明涉及由铜基催化剂材料制备纳米结构体的方法，特别是用作电池活性材料的在碳基基底上的硅纳米结构体。本发明还涉及在多孔基底上包括硅纳米线的组合物，特别是能够用作电池活性材料的碳基基底。

发明背景

对于半导体工业中的许多应用，以及在医疗器械和高容量锂离子电池的制造中，硅纳米线是理想的材料。金纳米颗粒已经被广泛地用于催化硅纳米线的生长。然而，金的成本对于硅纳米线的大规模合成变得显著或甚至是过高的，而且金与纳米线的所有期望应用不兼容。

因此期望如下的硅纳米结构体生长方法：该方法减少或甚至消除对金催化剂的需要。特别地，本发明提供了这样的方法。通过阅读下文将获得对本发明的完整理解。

发明概述

提供了由多孔基底上的铜基催化剂制备纳米结构体的方法，特别是用作电池活性材料的在碳基基底上的硅纳米线。描述了包括这样的纳米结构体的组合物。还提供了制备铜基催化剂颗粒的新颖方法。

一通用类别的实施方案提供制备纳米结构体的方法。在这些方法中，提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底，和由该催化剂颗粒生长纳米结构体。该催化剂颗粒包含铜、铜化合物、和/或铜合金。

基底可以包括例如碳基基底、颗粒群（population）、石墨颗粒群、多个氧化硅颗粒、多个碳薄片、碳粉末、天然和/或人造石墨、石墨烯、石墨烯粉末、碳纤维、碳纳米结构体、碳纳米管、炭黑、网或织物。在一类实施方案中，基底包括石墨颗粒群并且纳米结构体是硅纳米线。

催化剂颗粒可基本上具有任何期望的尺寸，但通常是纳米颗粒。例如，催化剂颗粒任选地具有约5nm至约100nm的平均直径，例如约20nm至约50nm，例如约20nm至约40nm。

如上所述，催化剂颗粒可以包含铜、铜化合物和/或铜合金。例如，催化剂颗粒可以包含铜氧化物。在一类实施方案中，催化剂颗粒包含氧化铜(I)(Cu₂O)、氧化铜(II)(CuO)或它们的组合。在一类实施方案中，催化剂颗粒包含单质(即纯相)铜(Cu)、氧化铜(I)(Cu₂O)、氧化铜(II)(CuO)或它们的组合。在另一类实施方案中，催化剂颗粒包含乙酸铜、硝酸铜或包含螯合剂的铜络合物(例如酒石酸铜或铜EDTA)。

可以通过基本上任何方便的技术来制备催化剂颗粒并将其布置于基底上，这些技术包括但不限于胶体合成随后沉积、吸附铜离子或络合物，和无电沉积。因此，在一类实施方案中，提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底包括合成包含铜和/或铜化合物的胶体纳米颗粒并然后将纳米颗粒沉积在基底上。纳米颗粒任选地包含单质铜(Cu)、氧化铜(I)(Cu₂O)、氧化铜(II)(CuO)或它们的组合，以及基底任选地包含石墨颗粒群。在另一类实施方案中，提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底包括：通过将基底浸入包含铜离子(例如至多10毫摩尔铜离子)和还原剂(例如甲醛)的无电镀覆溶液中，通过将铜无电沉积到基底上从而在基底上合成离散颗粒。该镀覆溶液通常是碱性的。基底任选地包含石墨颗粒群。在另一类实施方案中，提供具有布置于其上的催化剂颗粒的多孔基底包括将多孔基底浸入包含铜离子和/或铜络合物的溶液中，由此使铜离子和/或铜络合物吸附到基底的表面上，从而在基底的表面上形成离散纳米颗粒。该溶液通常是碱性水溶液。基底任选地包含石墨颗粒群。

该方法可用于合成基本上任何期望类型的纳米结构体，包括但不限于纳米线。该纳米线可以具有基本上任何期望的尺寸。例如，该纳米线可具有小于约150nm的平均直径，例如约10nm至约100nm，例如约30nm至约50nm。

可以由任何适宜的材料制备纳米结构体，所述材料包括但不限于硅。在纳米结构体包含硅的的实施方案中，该纳米结构体可包含例如单晶硅、多晶硅、无定形硅、或它们的组合。因此，在一类实施方案中，纳米结构体包含单晶芯和壳层，其中该壳层包含无定形硅、多晶硅、或它们的组合。在一方面，纳米结构体是硅纳米线。

可以使用基本上任何方便的技术生长纳米结构体。例如，可通过蒸气-液体-固体(VLS)或蒸气-固体-固体(VSS)技术生长硅纳米线。