[发明专利]一种非晶碳复合金属氧化物Yolk-Shell材料及其制备方法及其应用

说明书

本发明涉及能源材料技术领域，具体涉及一种非晶碳复合金属氧化物Yolk‑Shell材料及其制备方法及其应用，方法包括以下步骤：1)将碳源水溶液进行加热反应，经过滤、洗涤和干燥后得到碳球模板；2)步骤1)得到的碳球模板分散于金属盐溶液中，加热吸附、烘干后得到第一固体前驱体；3)将步骤2)得到的固体前驱体再次分散于金属盐溶液中，二次吸附、烘干后得到固体前驱体；4)将步骤3)得到的固体前驱体焙烧，得到非晶碳复合金属氧化物Yolk‑Shell材料；本发明通过两步强化吸附法使得碳复合金属氧化物Yolk‑Shell结构中引入缺陷可控的掺杂能级，经焙烧后材料的碳复合量可以大范围调节，从而实现对太阳光谱中各个波段的高效吸收。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体涉及一种非晶碳复合金属氧化物Yolk-Shell材料及其制备方法及其应用。

背景技术

太阳能作为一种可永久利用的清洁能源，具有巨大的开发潜力，但由于存在能量密度低、不稳定的因素，需要设计出更为有效的光转换材料，实现太阳能的高效获取与利用。太阳光驱动的光热界面水蒸发系统是近几年来新兴的一种高效便捷的净水技术，它仅利用太阳光对特定三维多级结构的光热材料加热至接近于水的沸点温度，再将水源引导到材料表面，通过表面蒸发和回收冷凝水达到净化杀菌的效果。它相比与传统体相加热水具有独特的优势，主要体现在，表面加热系统降低了受热体积，增强传热效率，降低热量损失。其二，生产单位体积蒸汽量所消耗的能量显著降低。

太阳光驱动的光热界面蒸水系统具有水源质量要求低，高效的光热转化效率，蒸水速率快，杀菌净水效果显著同时器件携带便捷等特点，可以用于海水淡化，污水转换成饮用水，含菌废水的净化，也可用于极端恶劣环境中快速自制饮用水。

纳米Yolk-shell结构具有比表面积大、密度轻、特殊内部空腔结构以及由低维纳米颗粒或者纳米棒构成的可调节壳壁等特点，同时内核的尺寸和成分具有较大的可调节性，因而在很多领域都实现了广泛使用，比如药物缓释、催化、传感器、水污染治理、纳米反应器以及储能系统等。其中，应用于光热水蒸发领域，碳复合金属氧化物Yolk-shell结构使入射光可以在球中多次散射，有效的延长了光路，增强了整个材料对光的捕获，有利于全光谱高效吸收太阳光，提高了光热转换效率。此外，碳复合后的金属氧化物Yolk-shell结构提供较多有效比表面积，有利于水在中空结构表面的快速输运和蒸发，进一步增强了其作为三维微型蒸发器的反应活性。

目前，纳米中空结构的制备方法主要有软模板法和硬模板法两种。软模板法是指在溶液中，利用胶束或乳液液滴作为模板，在两相界面发生化学反应，最后分离干燥，制备得到中空微球。目前报道的软模板法仅适用于特定化合物Yolk-shell结构的制备，且合成的产品形态均匀性较差，需要使用大量的有机溶剂制备反相胶束或反相微乳液，不适合大规模生产，难以具有普适性。硬模板法是指用单分散的无机物、高分子聚合物或树脂微纳米粒子作为模板，在其表面沉积各种化学材料，再通过煅烧或溶剂萃取取出模板，形成均一的中空材料。

CN102464304A公开了一种多壳层金属氧化物空心球及其制备方法，利用水热法制备碳球模板；将金属盐溶于碳球悬浮液中，通过调变金属盐浓度，溶液pH值、浸泡温度与时间等吸附条件，控制金属盐进入碳球的数量、深度和梯度分布；对吸附了金属离子的碳球进行热处理，即可获得多壳层金属氧化物空心球。采用该方法制备的空心球，其壳层由金属氧化物的纳米晶粒堆积而成，壳层数可在二到四层之间调变，空心球的尺寸及壳层厚度均可控。

CN103247777A公开了一种应用于锂离子电池的四氧化三钴多壳层空心球负极材料及其制备方法。利用水热法制备的碳球作为模板，通过控制钴盐溶液中水与乙醇的比例，溶液的温度，以及碳球的吸附能力，从而控制碳球中钴离子的数量及其进入深度，制备出了单、双、三及四壳层四氧化三钴空心球。但该方法制备的多壳层空心球用于制作锂离子电池的负极材料，在光热领域的应用仍存在局限。