[发明专利]空心炭球封装超细无机颗粒复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种空心炭球封装超细无机颗粒复合材料及其制备方法与应用，属于纳米材料技术和能源科学领域，包括以下步骤：S1、将无机含氧酸盐、苯胺、吡咯和表面活性剂在水溶剂中混合，制备均一分散液；在0℃条件下，向所述均一分散液中加入引发剂诱导发生串联反应，制得超细无机颗粒@空心炭球前驱体；S2、在氨气或氮气气氛下，将S1制得的超细无机颗粒@空心炭球前驱体在600～900℃温度下进行热处理，制得空心炭球封装超细无机颗粒复合材料；本发明制备方法避免了传统合成路线中无机纳米颗粒制备与空腔形成的分立流程以及伴随的繁琐步骤，合成工艺简单便捷、经济高效。

技术领域

本发明属于纳米材料技术和能源科学领域，具体涉及一种空心炭球封装超细无机颗粒复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

作为一类重要的低维纳米复合材料，封装结构的超细金属基无机颗粒@空心炭材料具有高活性的功能组分和多孔的炭保护层，在电化学储能、异相催化、吸附分离、纳米反应器、生物医药等领域具有巨大的应用潜力。

目前，利用空心炭球封装无机颗粒通常是借助模板法或后负载法的策略实现的：在无机颗粒表面分别包覆中间模板层和聚合物层，或在模板颗粒表面分别包覆无机物层和炭前驱体层，再经高温炭化、选择性刻蚀辅助模板后获得复合材料；对于后负载方法，用预先合成的空心炭球或空心结构的前驱物吸附金属无机盐离子，再通过热还原实现无机颗粒的负载。然而，由于反应条件的限制，上述制备策略中材料空心结构的构筑与无机颗粒的封装往往是分立的，反应过程冗余、步骤繁琐，也存在无机颗粒尺寸较大、结构难以精细调控等问题，不利于复合材料的精确控制和性能调控。因此，如何通过免模板的一步组装策略简便、高效地实现无机颗粒前驱体的包覆与空心结构构筑的集成化构筑，仍然是该领域内亟待解决的关键问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明首要目的是提供的一种空心炭球封装超细无机颗粒复合材料及其制备方法与应用。

本发明的第一个目的是提供一种空心炭球封装超细无机颗粒复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将无机含氧酸盐、苯胺、吡咯和表面活性剂在水溶剂中混合，制备均一分散液；在0℃条件下，向所述均一分散液中加入引发剂诱导发生串联反应，制得超细无机颗粒@空心炭球前驱体；

S2、在氨气或氮气气氛下，将S1制得的超细无机颗粒@空心炭球前驱体在600～900℃进行热处理，制得空心炭球封装超细无机颗粒复合材料。

优选地，S1中，所述无机含氧酸盐为偏钒酸铵、钼酸铵或其混合盐。

优选地，S1中，所述苯胺和吡咯的体积比为1.28～1.31：1，所述苯胺与所述无机含氧酸盐的用量比为1L：143～1146g。

优选地，S1中，所述表面活性剂为Triton X-100，所述Triton X-100与所述无机含氧酸盐的质量比为1：1.17～9.36，均一分散液中Triton X-100的浓度为1g/L。

优选地，S1中，所述引发剂为过硫酸铵，所述过硫酸铵与所述无机含氧酸盐的质量比为4.3～35.1:1，其加入前预先按过硫酸铵和水用量比为0.032～0.041g：1mL配制成溶液，且进行低温预冷，所述低温预冷条件是0℃静置0.5h。

优选地，所述均一分散液的制备过程具体为：将无机含氧酸盐和表面活性剂加水混合，形成混合液Ⅰ；再向混合液Ⅰ中加入吡咯和苯胺，分散均匀即可。

优选地，S2中，所述热处理过程为：在管式炉内，通入氨气，先升温至550℃保温3h，再升温至600～900℃保温3～6h，之后炉冷至室温，制得空心炭球封装超细无机氮化物颗粒复合材料。

优选地，S2中，所述热处理过程为：在管式炉内，通入氮气，升温至800℃保温3h，之后炉冷至室温，制得空心炭球封装超细无机氧化物颗粒复合材料。