[发明专利]一种采用阴离子交换法制备硫化铜气凝胶的方法

说明书

本发明公开了一种采用阴离子交换法制备硫化铜气凝胶的方法。该制备方法的制备过程特征包括：1)以铜的无机盐为金属前驱体，采用溶胶‑凝胶法制备铜的氧化物前驱体湿凝胶；2)以硫代乙酰胺为阴离子交换剂；3)将氧化铜前驱体湿凝胶浸渍在硫代乙酰胺/无水乙醇的混合溶液中进行老化及阴离子交换，获得铜的硫化物前驱体湿凝胶；4)通过超临界干燥的工艺获得硫化铜气凝胶。本发明的制备方法可以适用于制备一系列成分、微结构可调控的硫化铜气凝胶，其成分包括CuS，Cu₂S等，其比表面积为200‑420m²/g，孔隙率在95％‑99％之间。所制备硫化铜气凝胶可以用于电化学产氢催化剂，锂离子电池负极以及各种气相催化剂载体等。

技术领域

本发明属于气凝胶材料制备技术领域，具体涉及一种采用阴离子交换法制备硫化铜气凝胶的方法。

技术背景

金属硫化物(metal sulfide)已经在催化剂、电化学储能器件电极、传感器中等方面获得了广泛的应用。在实际应用中，如果能够获得大比表面积、高孔隙率的金属硫化物纳米材料，可以增加其活性表面，理论上可以提高其储能和催化性能的提升。气凝胶作为一种本征具有大比表面积、高孔隙率特性的材料，可以有效地满足上述对材料微观结构的要求。目前，对气凝胶的研究主要集中在金属氧化物、功能碳、高分子等材料体系，对于金属硫化物气凝胶材料的研究尚较为鲜见。在文献中，研究者们已经报道了若干种金属硫化物气凝胶及其制备方法，如CdS气凝胶，MoS₂气凝胶，WS₂气凝胶，ZnS气凝胶(国家发明专利CN201610309570.8)等各类金属硫化物气凝胶。按照气凝胶制备的技术路径的不同，可以将其划分为以下两类：

(1)首先制备金属硫化物纳米颗粒(nanoparticles)，并对其表面进行功能化。再通过液相中这些纳米颗粒的自组装过程，获得金属硫化物湿凝胶，最后采用超临界干燥的方法，制备出金属硫化物气凝胶。这种方法受限于必须要先制备出合适的金属硫化物纳米颗粒，且自组装的过程的控制、纳米颗粒表面的功能基团的去除等均是难点。

(2)以含硫的金属盐(例如(NH₄)₂MS₄，其中M为金属元素)为前驱体，采用冷冻干燥的方法制备多孔的前驱体凝胶，再通过热处理的方式将其转化为金属硫化物气凝胶。这种方法受限于必须寻找到合适的含硫的金属盐，对于大多数金属硫化物并不适用。

在另一方面，研究者们对金属氧化物(metal oxide)气凝胶的制备，已经开展了很深入的研究，可以通过各种不同的金属盐前驱体等，促凝剂等制备各类金属氧化物气凝胶。如果在此基础上，可以将金属氧化物气凝胶转变为金属硫化物气凝胶的方法，则可以发展出一种制备金属硫化物气凝胶的新方法。

本发明针对目前金属硫化物气凝胶制备中的存在的问题，提出以金属氧化物湿凝胶为前驱体，在老化过程中通过阴离子交换的方法，将其转换为金属硫化物湿凝胶前驱体，再通过超临界干燥的方法，获得金属硫化物气凝胶。所采用的制备方法，与以往报道的金属硫化物的有明显不同。首先，在前驱体的选择中，不同于以往的制备方法中必须预先获得金属硫化物纳米颗粒或是采用特定的含硫的金属盐做为前驱体的思路，采用了制备工艺成熟、简单易得的金属氧化物湿凝胶为前驱体。在制备工艺中，避免了以往的凝胶过程中对纳米颗粒的自组装、单分散等的控制等难点，在不改变已有的成熟的液相溶胶-凝胶的工艺以及保持金属氧化物气凝胶中纳米颗粒堆积而成的纳米孔结构的微观结构的基础上，通过简单的在老化过程中对氧化物湿凝胶进行阴离子交换的方法，获得了金属硫化物湿凝胶。所获得的硫化铜气凝胶具有高的比表面积和高的孔隙率，可以用于电催化、电化学储能、光催化等领域。

发明内容

本发明的目的解决现有技术中存在的问题，并提供一种采用阴离子交换法制备硫化铜气凝胶的方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种采用阴离子交换法制备硫化铜气凝胶的方法，包含以下步骤：