[发明专利]一种核壳结构颗粒材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料的应用和功能材料合成领域，更具体地，涉及一种核壳结构颗粒材料的制备方法。

背景技术

核壳结构材料具有许多独特的物理和化学特性，在超疏水表面涂层、材料学、化学、磁学、电学、光学、生物医学、催化等领域都具有潜在的应用价值。化学链技术是一种新型的化石燃料CO₂减排技术，具有潜在的降低减排成本、提高燃料能量利用效率、减少和脱除其他大气污染物等优势，它的一个关键问题是高性能氧载体的研发。

核壳结构的纳米复合材料一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成，但普通的核壳结构中，活性壳层和惰性核体或活性核体和惰性壳层直接接触，会发生活性成分与惰性载体的化学反应，直接导致活性成分含量减少、惰性载体稳定性和强度降低，因而引起材料的性能衰减。

在核壳材料的合成中引入纳米介层，形成核-介层-壳层的分级结构，能大大提升材料的强度和性能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种核壳结构颗粒材料及其自组装方法，利用核体材料和介层材料的等电位点性质差异通过静电自组装形成高性能的颗粒材料。本发明的制备过程节能环保，制备的核壳结构颗粒材料可用于作为氧载体、CO₂吸收剂或者催化剂等，具有负载量大、活性高、性能稳定、循环寿命长的优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种核壳结构颗粒材料的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一：将核体材料和介层材料分散于水中，并用酸或碱调节pH值为pH’使所述核体材料和所述介层材料充分组装，以获得核-介层复合颗粒的悬浊液；

其中，所述核体材料为粒径1μm～100μm的微米颗粒，所述介层材料为粒径为1nm～100nm的纳米颗粒，所述核体材料与所述介层材料的质量比大于等于2:1；IEP₁和IEP₂分别为所述核体材料与所述介层材料的等电位点，且IEP₁与IEP₂之差大于等于2.5；pH’在IEP₁和IEP₂之间，且pH值为pH’时，核体材料和介层材料的Zeta电位的电性相反且差值最大；

步骤二：在核-介层复合颗粒表面沉积壳层原料，并煅烧生成壳层，最后研磨筛分即得到所需的核壳结构颗粒材料。

优选地，步骤一中所述酸为醋酸、盐酸或硝酸，所述碱为氨水。

优选地，核体材料与介层材料的质量比为3:1～15:1。

优选地，IEP₁与IEP₂之差大于等于5。

优选地，步骤二中采用水热法来制备金属氧化物壳层，具体过程如下：

向步骤一的所述悬浊液中加入金属有机盐使其完全溶解，充分干燥后进行煅烧，最后研磨筛分即得到所需的核壳结构颗粒材料；

煅烧过程中，金属有机盐分解生成金属氧化物作为壳层的同时，还生成水蒸气以及二氧化碳作为副产物。

然而在制备金属氧化物的过程中，往往找不到可溶性的金属有机盐作为原料，或者对应的金属有机盐十分昂贵；因此，步骤二的具体过程还可以优选如下：

向步骤一的所述悬浊液中加入金属硝酸盐和燃料使其完全溶解，充分干燥后进行煅烧，最后研磨筛分即得到所需的核壳结构颗粒材料；

其中，所述燃料为金属醋酸盐或尿素，煅烧过程中，金属硝酸盐和所述燃料完全反应生成金属氧化物作为壳层的同时，还生成氮气、水蒸气以及二氧化碳作为副产物。

假设金属为X，化合价为+n；当燃料为金属醋酸盐时，反应方程式如下：

16X(NO₃)_n+10X(CH₃COO)_n→13A₂O_n+8nN₂+20nCO₂+15nH₂O

其中，可以选用不同金属的醋酸盐和硝酸盐，以生成混合金属氧化物作为壳层。

当燃料为尿素时，反应方程式如下：

6X(NO₃)_n+5nCO(NH₂)₂→3X₂O_n+5nCO₂+10nH₂O+8nN₂