[发明专利]一种纳米多孔金属化合物材料、制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种孔隙率和孔径可调的纳米多孔金属化合物材料、制备方法及应用。根据合金相图，设计一定比例的纯金属和金属化合物或纯金属和非金属单质在保护性气氛下进行电弧熔炼制备合金锭，然后通过控制铜辊的转速将合金锭进行再熔融快速凝固甩带，最后对合金条带进行微观电偶选择腐蚀即可获得纳米多孔金属化合物材料。该方法制备工艺过程简单可控，环境友好。制备得到的自支撑纳米多孔金属化合物的孔隙率由合金锭熔炼时纯金属和金属化合物或纯金属和非金属单质的比例控制，而孔径的大小由甩带时铜辊转速的大小控制。

技术领域

本发明涉及一种纳米多孔金属化合物材料、制备方法及应用，属于多孔材料的制备技术。

背景技术

纳米材料的制备是新材料领域最具活力的研究方向之一。一直以来，纳米结构金属化合物主要通过溶剂热法等方法合成。在规模化制备时，面临可控性、重现性不佳，环境污染等问题。这种方法制备的纳米多孔金属化合物多以粉体形式存在，在实际应用的过程中，需要导电剂和粘合剂进一步制备成功能膜层或电极。由于导电剂和粘合剂的接触不良会导致其电化学稳定性较差。与此同时，由于其内电阻高，还会导致能量效率的降低。随着前沿研究对材料特性要求的不断提高，纳米功能材料的在制备方法、组分控制与结构设计等方面需要进行综合考虑。

脱合金法，又称选择性腐蚀，是利用合金组分间电极电位差值大的特点，选择性地溶解化学性质较活泼的元素，使其进入电解质溶液中而剩余组分通过原子扩散，聚集等方式自发形成三维连续的多孔金属。在过去几十年，利用这种方法制备的纳米多孔金属和合金在很多领域得到了广泛的应用(Corros. Sci.2018, 134, 78.)。然而，这种方法只在金属中得到了应用，因为金属有柔性的金属键和高原子扩散能力，在自组装形成金属晶体骨架时有较低的形成能。金属化合物，如磷化物、硫化物、硒化物、硼化物、氮化物等，主要以离子键或者共价键的形式构成，具有低扩散性和高形成能，不能通过脱合金的方法制备。如何将多孔结构引入金属化合物，获得具有超高的比表面积的纳米多孔金属化合物，使之兼具孔隙结构与纳米功能双重属性，是材料制备领域的一大挑战。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种通用的纳米多孔金属化合物材料、制备方法及其应用。该制备过程简单可控，环境友好，制备得到的自支撑纳米多孔金属化合物孔隙率和孔径可调。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种纳米多孔金属化合物材料，其特征在于，包含过渡金属元素和非金属元素，该纳米多孔金属化合物材料具有双连续纳米多孔结构；其中，所述金属化合物的化学式为（A_zE_1-z）_x（C_kD_1-k）_y， A、E为过渡金属元素， C、D为非金属元素；0≤z≤1，0≤k≤1，x＞0，y＞0。

进一步地，A、E为互不相同的过渡金属元素， C、D为互不相同的非金属元素。

进一步地，所述过渡金属元素包括Ni、Co、Fe、Cu、Cr中的至少一种，所述非金属元素包括P、S、Se、B、Te中的至少一种。

进一步地，所述纳米多孔金属化合物材料中，过渡金属元素和非金属元素的摩尔比为1-10:1-10，进一步为3-9:1-8。

进一步地，所述过渡金属元素为Ni、Co、Fe中的至少一种，所述非金属元素为P、S、Se、B中的至少一种。

进一步地，所述纳米多孔金属化合物材料的孔隙率为20-80%，优选为30-70%；孔径为5-400 nm，优选为10-200 nm。申请人研究发现，该孔隙率、孔径特征的纳米多孔金属化合物材料兼具优良的强度、韧性和活性表面积。