[发明专利]一种杂原子掺杂的碳封装金属纳米颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种杂原子掺杂的碳封装金属纳米颗粒的制备方法。

背景技术

金属纳米颗粒以其独特的物理化学特性如量子尺寸效应、表面效应等在光电信息存储、催化化学、生物医疗等领域受到广泛关注。然而裸露的金属纳米颗粒易被空气氧化而变成金属氧化物，导致其结构和物理化学性质发生改变。一个可行的方案来避免外界环境对金属纳米颗粒的影响是利用相对惰性的层状材料将金属纳米颗粒包裹起来，如用性质稳定的石墨化碳层将其完全封装起来形成一种具有核壳结构的纳米材料，能有效防止金属纳米粒子的长大、团聚和被氧化(B.R.Cuenya,THIN SOLID FILMS,518,3127(2010))。这种被石墨化碳层封装的金属纳米颗粒展示了独特的物理化学特性，如Deng等发现被封装的金属纳米颗粒能够调变其表面碳层的电子结构从而可以活化其表面的碳层，使原本化学惰性的碳层具有了催化活性(D.H.Deng,X.H.Bao et al.Angew.Chem.Int.Ed.,125,389(2013))。该研究表明金属对碳层的电子转移是增强碳层催化活性的关键，在碳层上引入杂原子可以进一步增进金属对碳层的电子转移并可有效地降低碳层表面的功函，从而显著增强其催化性能(J.Deng,L.Y,D.H.Deng,X.H.Bao et al,J.Mater.Chem.A.,1,14868(2013))。因此，杂原子的引入丰富了该类材料的物理化学性质，有望拓展该类材料在电学(K.Bubkle,M.Hempstead et al.Appl.Phys.Lett.,71,1906(1997))、磁学(X.L.Dong,S.R.Jin et al.J.Mater.Res.,14,1782(1999))、光学(P.G.Collins,H.Bando et al.Science,278,100(1997))、摩擦学(D.Babonneau,A.Naudon et al.Surf Sci.,409,358(1998))、生物学(S.Subramoney,Adv.Mater.,10,1157(1998))等领域的应用。

目前碳封装金属纳米颗粒的制备方法有电弧放电法(V.P.Dravid,M.H.Teng et al.Nature,374,6021(1995))、离子束法(T.Hayashi,M.Tomita et al.Nature,381,772(1996))、热解法(H.Song,X.Chen et al.Carbon,41,3029(2003))、液相浸渍碳化法(P.J.F.Harris,S.C.Tsang.Chem.Phys.Lett.,293,531(1998))、碳凝胶爆炸法(W.Wu,Z.Liu et al.Carbon,41,317(2003))等。但是这些方法一般操作复杂，产物中杂质含量高、工艺难以控制、成本高且产率较低。此外，这些方法所封装的金属种类和组分局限性大，金属纳米颗粒粒径分布不均，难以控制。而碳材料中杂原子的引入方式主要包括利用富含杂原子化合物对碳材料进行后处理(D.H.Jurcakova,T.J.Bandosz et al.Adv.Funct.Mater.,19,438(2009))；热解富含杂原子的有机前驱物(C.O.Ania,F.Béguin et al.Adv.Funct.Mater.,17,1828(2007))、生物质(E.R.F.Béguin et al.Adv.Mater.,18,1877(2006))以及含杂原子化合物催化聚合(G.P.Hao,A.H.Lu et al.J.Am.Chem.Soc.,133,11378(2011)等方法。然而目前有关杂原子掺杂碳封装金属纳米颗粒的研究仍处于初级阶段，对于金属纳米颗粒尺寸、碳层厚度以及杂原子含量和种类的有效调控仍然面临很大挑战。

发明内容

本发明在合成碳封装金属纳米颗粒的同时引入杂原子，一步合成杂原子掺杂的碳封装金属纳米颗粒。该方法所制备出的碳层主要为单层石墨化碳结构，金属元素可以调变，元素组分可为单组分、双组分或多组分。所掺入的杂原子种类多变，分布均匀。该方法适用范围广泛，易于操作，产物收率较高。该类材料有望在催化、信息存储、生物医学等领域具有广阔应用前景。

一种杂原子掺杂的碳封装金属纳米颗粒的制备方法：

(1)将一种金属阳离子盐或二种以上金属阳离子盐与介孔材料或分子筛模板在超声和搅拌下分散于溶剂中，直至金属阳离子在模板剂上浸渍均匀后，干燥挥发溶剂，得样品；