[发明专利]碳限域金属或金属氧化物复合纳米结构材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳限域金属或金属氧化物复合纳米结构材料及其制备方法，该材料可作为电化学能量存储与转化器件的电极材料。由金属或金属氧化物纳米晶堆积成特定形貌，碳层均匀包覆在其表面，所述的纳米晶的直径为8～50纳米，由金属或金属氧化物纳米晶堆积而成的介孔均匀分布在所述材料表面与内部，所述材料具有的比表面积为50～120m²g^‑1。本发明的有益效果是：A)可以得到多种MOF包覆的纳米结构材料；B)MOF包覆层厚度可较容易地通过保温时间控制；C)碳层均匀包覆在纳米结构表面，且很好的保持了前驱体的形貌特征；D)本发明具有原料廉价、工艺简单环保、产量大、材料电化学性能优异的特点。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学器件技术领域，具体涉及一种碳限域金属或金属氧化物复合纳米结构材料及其制备方法，该材料可作为电化学能量存储与转化器件的电极材料。

背景技术

当今社会，环境污染问题已成为社会生活的重要议题，寻找能替代化石能源的新型清洁能源并做到高效能源存储成为科学研究的热点问题。因此，诸如电催化水分解、燃料电池、空气电池、锂离子电池等高效能源存储与转换设备被研发了出来。但是，这些设备仍存在很多关键问题亟待解决。能源转换方面，以水分解为例，廉价、高效的电催化水分解催化剂亟待发展。目前，达到工业化催化活性标准的电催化水分解催化剂多为昂贵的铱基、铂基材料，这种储量极少，成本极高的贵金属材料限制了其大规模应用；能源存储方面，目前广泛使用的，以硬碳(理论容量372mAh g^-1)作为负极材料的锂离子电池在容量上处于瓶颈。因而，发展高能量密度的锂离子电池电极材料成为重中之重。

科研工作者通过大量实验发现：部分元素丰度很高的金属或金属氧化物能满足上述需求。为充分发挥其电化学活性，电极材料需要被设计成合适的结构以适应不同场合的需要。通常情况下，理想的电极材料需要高稳定性，高电子、离子传导性，高比表面积等。为达到上述要求，人们的一般做法是设计复杂内结构的纳米结构和将电极材料与碳材料进行复合。但直到金属有机框架(MOF)材料被合成出来之前，人们一直没有找到简单有效的方法大规模合成优良的碳基复合材料。

通过金属离子或离子簇与有机配体的配位反应，人们可以很容易地得到长程有序的MOF材料。这类材料具有丰富的孔结构，超高的比表面积，有机配体与金属离子均匀间隔分布的特点。这些独特的性质使得MOF材料在能源存储与转化领域具有非常广阔的应用前景。目前，以MOF材料为前驱体合成高质量原位碳复合材料是其在能源存储与转化领域最普遍的应用。但是，人们至今仍未找到简单、高效的方法将MOF材料用于复杂纳米结构的设计构筑中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单，易于推广，具有优异性能的碳限域金属或金属氧化物复合纳米结构材料及其可控制备方法，所得的材料可作为电化学能量存储与转化器件的电极材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：碳限域金属或金属氧化物复合纳米结构材料，该材料由金属或金属氧化物纳米晶堆积成特定形貌，碳层均匀包覆在其表面，所述的纳米晶的直径为8～50纳米，由金属或金属氧化物纳米晶堆积而成的介孔均匀分布在所述材料表面与内部，所述材料具有的比表面积为50～120m²g^-1。

按上述方案，所述的碳层是由均匀的金属有机框架MOF包覆层碳化而得。

按上述方案，所述的金属或金属氧化物纳米晶堆积而成的形貌为纳米线阵列、纳米棒、纳米片、纳米管或纳米空心立方块。

按上述方案，所述的金属纳米晶为：CoNi合金或CoSn合金；金属氧化物纳米晶为：CoOMnO、ZnO或ZnOZnMoO₃。

所述的碳限域金属或金属氧化物复合纳米结构材料的制备方法，其包括如下步骤：

S1采用水热、溶剂热、静电纺丝或共沉淀法制备出金属氧化物或金属氢氧化物前驱体；