[发明专利]一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

纳米材料具有明显不同于块体材料和单个分子的独特性质，例如：表面效应、体积效应、凝子尺寸效应和宏观隧道效应等，使其在电子学、光学、化工、陶瓷、生物和医药等方面都有广阔的应用前景。然而纳米粒子由于其高表面能，容易发生烧结和团聚，因此纳米材料往往需要载体，以保证其单分散性，同时降低烧结、团聚等发生的概率。多孔炭材料具有发达的孔隙结构，很大的比表面积，较多的表面化合物和很强的吸附能力，还拥有耐高温、耐酸碱、导电和传热等一系列的优点，因此是负载纳米粒子的良好载体。按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的分类，可将多孔炭中的孔道分为大孔（> 50 nm）、介孔（2-50 nm）以及微孔（< 2 nm）。多孔炭负载的纳米金属或氧化物材料在工业催化、水处理和电化学等诸多方面都具有广阔的应用前景。

在多孔炭担载纳米材料的制备方法方面，普遍采用的是直接浸渍法和共聚合法。直接浸渍法是将多孔碳材料直接浸渍于金属盐溶液中，然后经干燥和热处理得到多孔炭负载的纳米材料。Ryoo等[Joo S H, Choi S J, Oh I, et al. (2001). Nature  412(6843): 169-172.]通过浸渍还原方法将铂纳米颗粒引入到有序介孔炭中，得到高度分散的粒径仅为3 nm的铂颗粒，使其有望在燃料电池领域有应用前景。浸渍法应用广泛，但是对于纳米粒子的粒径、组分和在载体中的分布缺乏有效的调控。共聚合法是指将金属盐和碳源灌注到多孔模板内，通过碳化和除模板从而得到多孔炭复合材料。Ding等[Ding J, Chan K Y, Ren J, et al.(2005).Electrochimica Acta 50(15): 3131-3141.]以SBA-15为模板、甲醇为碳源、Pt(NH₃)₄(NO₃)₂为金属盐，制备得到了有序介孔炭/铂复合材料，并研究了其对氧还原反应的电催化性能。然而，共聚合法的制备方法复杂繁琐，需要反复地灌注碳源和金属盐及去除模板，周期长、成本高，这无疑阻碍了该方法的规模化应用。

近年来，一些研究小组报道了采用自组装法简便地制备得到了多孔碳复合材料。Zhao等[Liu R., et al. (2007).Chemistry of Materials 20(3): 1140-1146.]以可溶性酚醛树脂为前驱体，通过有机-无机自组装获得有序介孔炭负载的TiO₂和TiC复合材料。Yao等[Yao J., et al. (2009). Carbon 47(2): 436-444.]以间苯二酚为碳源，直接制备得到了磁性可分离的有序介孔炭/Ni复合材料。Ji等[Ji Z., et al. (2009). Carbon 47(9): 2194-2199.]采用三组分共组装方法，制备了高比表面积的有序介孔碳/Ru复合材料，并研究了其对苯加氢反应的催化作用。该方法用于合成硅基材料已经很成熟，但是合成碳材料仍需进一步深入研究，而且该方法难以广泛适用于各种炭载金属/金属氧化物复合材料的制备。

总而言之，传统的多孔炭负载纳米材料的合成方法往往存在着合成路线长，模版剂成本高，后期处理污染严重等问题，因而难以实现大规模生产。碳载体的孔道结构，以及担载的金属或金属氧化物的尺寸、组分、晶相和担载量等参数很难同时得到控制。此外，传统合成方法由于制备方法的限制不能够广泛运用于各种纳米金属或氧化物的制备。因此，开发一种简单普适的多孔炭负载纳米金属或金属氧化物复合材料的制备方法，并能够在合成过程中控制碳载体的孔道结构以及纳米粒子的尺寸、组分、晶相和担载量等参数，对于该类材料的广泛应用必将产生重大的推动作用。

发明内容

本发明的目的在于开发一种简单普适的多孔炭负载纳米金属或金属氧化物复合材料的制备方法，该方法可广泛的适用于众多炭载金属及氧化物的合成。

本发明利用糖类、尿素和金属盐在一定温度下形成均匀熔融液体，使得金属盐均匀分布在混合液体中。之后，加热使得糖类碳化得到多孔炭，同时金属活性组分均匀分布在多孔炭中，随后在保护气或还原性气氛下高温热处理后，得到多孔炭负载纳米金属/金属氧化物复合材料。