[发明专利]一种负载型高孔隙率多孔金属氧化物材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种负载型高孔隙率的多孔金属氧化物材料及其制备方法和应用，属于先进功能材料与纳米技术领域。具体为首先将预水解的氧化硅寡聚物溶液加入金属盐与负载物的混合溶液中，搅拌均匀后将溶剂蒸发脱除，得到氧化硅寡聚物均匀掺杂的金属羟基氧化物固体。将固体进一步煅烧，使金属氧化物结晶，后使用碱性溶液将氧化硅刻蚀脱除造孔，得到高孔隙率的负载型多孔金属氧化物材料。该材料具有结晶的金属氧化物骨架、高比表面积和孔隙率、三维连通的多级孔道，有利于气体、液体在其中的扩散传质，因而在气体传感、非均相催化等应用方面有着优异性能。本发明方法操作简单，原料易得，适用于大规模化工业生产。

技术领域

本发明属于先进功能材料与纳米技术领域，具体涉及一种负载型高孔隙率的多孔金属氧化物材料及其制备方法和用途。

背景技术

半导体金属氧化物是一类重要的功能材料，在气体传感、催化、电化学等领域有着广泛应用。半导体气体传感器可以检测环境中低浓度的有害气体，目前已广泛应用于工业生产过程监测、大气污染检测、食品安全检测、公共医疗检测等多种场合。半导体气体传感器的核心在于金属氧化物敏感材料，敏感材料的性能决定了气体传感器的优劣。目前市售半导体传感器通常采用传统粉体金属氧化物作为敏感材料，材料的比表面积较低，难以进一步提高传感性能。

与传统块体的金属氧化物材料相比，具有多孔结构的金属氧化物通常具有更高的比表面积、孔隙率，暴露更多活性位点，可以增加目标气体分子与固体材料的接触，从而提高材料的灵敏度；同时三维连通的孔道有利于气体分子的扩散，因而多孔材料具有更快的响应速度和更低的检测限(X.Zhou,Y.Zhu,W.Luo,et al.J.Mater.Chem.A,2016,4,15064-15071；J.Ma,Y.Ren,X.Zhou,et al.Adv.Funct.Mater.,2018,28,1705268)。多孔金属氧化物的制备方法通常有以下几种：水热或溶剂热法、溶胶凝胶法、模板法、化学气相沉积法。其中，水热或溶剂热方法需要高温高压反应、反应条件苛刻，溶胶-凝胶方法合成时间长、多则几周，化学气相沉积法原料昂贵产量低，这三种方法都不适用于工业化的大规模生产。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种具有大的比表面积、高孔隙率，有利于气体的扩散传输，并且可以根据目标气体的不同选择负载不同的贵金属或稀土元素作为增敏剂的负载型高孔隙率的多孔金属氧化物材料及其制备方法和用途，进一步提高了金属氧化物的传感性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供了一种负载型高孔隙率的多孔金属氧化物材料，该多孔金属氧化物材料的骨架为结晶的金属氧化物，具体成分为SnO₂、WO₃、ZnO、Fe₂O₃、CuO、NiO、Co₃O₄、V₂O₅、TiO₂中的一种或多种的混合物，结晶尺寸在1nm-1μm之间连续可调；所述多孔金属氧化物材料内部具有三维连通的孔道，孔尺寸在0.5nm-1μm之间分布，并连续可调，材料BET比表面积在5m²/g-300m²/g，孔容为0.05-1.5cm³/g。

进一步，所述的多孔金属氧化物材料可以负载增敏材料，所述的增敏材料为贵金属颗粒或稀土元素离子，具体为Au、Pt、Ag、Pd颗粒或La³⁺、Ce⁴⁺、Yb³⁺、Eu³⁺、Pr³⁺中的一种或多种的混合物，所述的贵金属颗粒的质量负载率为0-5％之间连续可调，颗粒尺寸0.5nm-50nm之间连续可调，所述的稀土元素离子的质量负载率为0-5％之间连续可调。

本发明还提供了一种负载型高孔隙率的多孔金属氧化物材料的制备方法，该方法包括以下工艺步骤：