[发明专利]一种多孔金属氧化物纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种多孔二维金属氧化物纳米片的制备方法，通过对掺杂的金属氧化物纳米片进行去掺杂处理来实现造孔目的，获得孔径可调控以及金属氧化物种类多样的新型的二维功能材料。所述制备方法首先将第一金属氧化物、碱金属盐、第二金属氧化物混合，通过固相烧结制备层状复合材料；然后将此层状复合材料先后经质子化、剥离，得到掺杂的金属氧化物纳米片；再将得到的所述掺杂的金属氧化物纳米片进行去掺杂处理来实现造孔，得到所述多孔二维金属氧化物纳米片。其为一种全新的制备超薄二维多孔纳米材料的途径，所制备的多孔二维金属氧化物纳米片孔径以及孔隙率可以调控，且可以进一步制备成粉末，也可以再分散在溶液中。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种多孔状金属氧化物纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

Takayoshi Sasaki以及合作团队报道了多种二维金属氧化物的制备方法，包括单一金属氧化物以及多元金属氧化物通过固热烧结反应制备层状材料，然后利用质子交换以及在含有表面活性剂的溶液中长时间震荡剥离制备二维材料。然而Sasaki团队极少对此二维纳米材料进行后处理制备多孔或者筛孔二维材料。其中有报道的是其曾经使用高温烧结法将二维TiO₂纳米片材料部分烧结收缩成孔，但是通过高温烧结孔径控制困难，其只得到了多孔的聚集态结构，纳米片层变厚甚至坍塌，且形成的片层构造不能再分散。

除固相烧结法之外，还有其他制备方法，比如使用氧化石墨烯模板法：通过与目标金属氧化物前驱体混合水解后烧结，最后通过高温氧气中去除氧化石墨烯。根据烧结程度的不同，可以得到筛网状二维材料。这种方法制备的多孔材料是由纳米颗粒聚集而成，厚度较高，同时结合不够紧密容易坍塌，而且孔径也较大，达到数纳米甚至十几纳米。

另外一种是自组装法，通过制备超小尺寸的富含边缘缺陷的二维片状金属氧化物颗粒，在连接剂的作用下于冷冻干燥过程中自组装形成大尺寸的超薄的片状材料。

还有一些没有涉及到筛孔改性的二维材料的制备方法，比如水热法；球磨法；利用混合液在反应器内快速流动并在弯道处形成连续的二次流动产生的剪切力对层状原料进行剥离制备二维纳米材料；液相反应制备二维金属氧化物；以及气泡静电纺丝法制备二维超薄材料等等。

从以上背景可以看出，虽然二维金属氧化物纳米材料的研究报道已经很多，但是在二维筛孔/多孔纳米材料的研究以及通过二维材料对其改性制备多孔材料上还处于初始阶段。到目前改性/合成的多孔材料主要通过高温烧结以及纳米颗粒的聚集等方法制备，存在以下问题：(1)形貌控制困难；(2)二维材料厚度无法控制在原子层等级，材料利用率低下；(3)所制备的材料因厚度大，脆性高，成膜性差；(4)所制备的二维材料不能在溶液中再分散。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多孔二维金属氧化物纳米片的制备方法，包括以下步骤：

(1)将第一金属氧化物、碱金属盐、第二金属氧化物混合，对所得混合物进行固相烧结得到层状复合材料；

(2)将步骤(1)得到的所述层状复合材料先后经质子化、剥离，得到掺杂的金属氧化物纳米片；

(3)对步骤(2)得到的所述掺杂的金属氧化物纳米片进行去掺杂处理来实现造孔，得到所述多孔二维金属氧化物纳米片。

任选地，将步骤(3)得到的所述多孔二维金属氧化物纳米片进行再分散得到所述多孔二维金属氧化物纳米片的溶液，或进行干燥得到所述多孔二维金属氧化物纳米片粉末。