一种多孔核壳纳米复合材料及其制备方法技术

技术编号:18321374 阅读:173 留言:0更新日期:2018-06-30 23:57
本发明专利技术涉及一种多孔核壳纳米复合材料及制备方法,所述多孔核壳纳米复合材料为可控形貌尺寸的MxOy@C,多孔碳纳米结构壳层均匀包覆于MxOy纳米颗粒表面,所述多孔碳纳米结构为碳纳米片、纳米块或纳米球;M为选自Co、Ni中的任一种金属,M为Co时,x=3、y=4;M为Ni时,x=1、y=1。其制备包括如下步骤:将可溶性M金属盐、葡萄糖以及氯化钠共同溶解;搅拌、加热后形成粘稠物;经干燥、研磨,得到氯化钠包覆的M金属盐‑葡萄糖复合结晶粉末;经氩气氛围下煅烧、空气中氧化获得多孔碳包覆的M金属氧化物核壳复合材料。其制备过程简单、工艺容易控制、适于工业化量产,制备产物可用于电极材料、催化剂材料、超级电容材料等多种用途。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔核壳纳米复合材料及其制备方法
本专利技术涉及纳米复合材料领域,尤其是核壳纳米复合材料领域,具体涉及一种多孔核壳纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着碳纳米材料的迅猛发展,多孔碳纳米材料因为存在大量的孔,大的比表面积和独特的构架组成已经在各种不同的领域引起了研究者们的极大兴趣。近些年来,多孔碳纳米材料更广泛的被应用在电化学领域,例如用作电催化的催化剂和电容器的电极材料等。普通的熔融盐法制备多孔碳纳米材料,与水热炭纳米材料相比,其碳化程度更高,但是很多处理条件下只能得到大片状的石墨材料,很难得到块状、球状等多孔碳纳米材料。公开号为CN104176765A的专利技术专利公开了一种熔融盐法制备不同形貌ZnO纳米材料,可以制备得到短线状、针状、笋状和短柱状ZnO纳米材料,其产物形貌可控和量产,但工艺控制复杂、不适于工业化量产。金属氧化物@多孔碳复合材料可用作催化剂、Li离子电池(LIBs)及超级电容器电极材料等,在能源环境领域有很大应用潜力,但目前常见的模板-活化法等制备工艺复杂、可控性差、不适于工业化量产,如何开发一种制备方法,其简单、可量产,可对金属氧化物@碳复合材料的形貌及尺寸进行控制,从而扩展其性能,是目前有待解决的技术难题。
技术实现思路
鉴于上述技术问题,本专利技术提供了一种金属氧化物@多孔碳复合材料及其制备方法,其原料廉价、制备过程简单、工艺容易控制、适于工业化量产,制备产物可用于电极材料、催化剂材料、超级电容材料等多种用途。本专利技术提供了一种MxOy@C多孔核壳纳米复合材料,多孔碳纳米结构壳层均匀包覆于MxOy纳米颗粒表面,所述碳纳米结构为碳纳米片、纳米块或纳米球;M为选自Co、Ni中的任一种金属,M为Co时,x=3、y=4;M为Ni时,x=1、y=1。优选的,所述MxOy@C多孔核壳纳米复合材料为平均粒径200~400nm的纳米片。优选的,所述MxOy@C多孔核壳纳米复合材料为平均粒径100-150nm的纳米块。优选的,所述MxOy@C多孔核壳纳米复合材料为平均粒径30-100nm的纳米球。进一步的,所述多孔碳纳米结构壳层的厚度为20-100nm。本专利技术还提供了所述MxOy@C多孔核壳纳米复合材料的制备方法,包括如下步骤:(1)将可溶性M金属盐、葡萄糖以及氯化钠共同溶解于水中,搅拌后得到均一混合溶液;(2)加热后形成粘稠物;优选地,加热使葡萄糖变性增加粘度络合M金属离子,之后恒温搅拌、蒸发溶液,直至溶液颜色变深变黑,停止搅拌,继续加热至溶液呈粘稠状;(3)将步骤(2)得到的粘稠物干燥,得到氯化钠包覆的M金属盐-葡萄糖复合结晶粉末,然后研磨;(4)将研磨好的复合结晶粉末在氩气氛下煅烧,M金属盐分解形成M金属氧化物,葡萄糖在高温氩气保护下热解的碳将所述M金属氧化物还原成M金属纳米颗粒,并在M金属纳米颗粒周围形成均匀厚度的多孔碳纳米结构;(5)将步骤(4)得到的纳米结构在空气中煅烧,氧化后得到多孔碳结构包覆的MxOy纳米颗粒复合材料。其中,通过控制所述可溶性M金属盐与葡萄糖的质量比为1:2-2:1,得到不同形貌、尺寸的MxOy@C多孔核壳纳米复合材料。进一步的,步骤(1)所述的混合溶液中,氯化钠的质量浓度为10-20%。进一步的,步骤(2)所述恒温为60-95℃,磁力搅拌并蒸发溶液2-6小时。进一步的,步骤(3)所述干燥是在60-95℃的干燥箱中干燥12-24小时。进一步的,步骤(4)具体为:将研磨好的复合结晶粉末转入真空管式炉中,在450-750℃,氩气氛下,流速50-200mL/min,煅烧2-4小时,M金属盐分解形成M金属氧化物,来自葡萄糖的碳将M氧化物还原成M金属纳米颗粒,并在M金属纳米颗粒周围形成均匀厚度20-100nm的多孔碳纳米结构;作为优选的,在温度750℃下煅烧2小时。进一步的,步骤(5)具体为:将步骤(4)得到的纳米结构在空气中200-350℃下煅烧4-12小时,氧化后得到多孔碳结构包覆的MxOy纳米颗粒复合材料。与现有技术相比,本专利技术具有如下的有益效果:(1)通过控制前驱体金属盐与葡萄糖的质量比,实现了对纳米核壳结构材料微观形貌及尺寸的简单且有效的控制,原料廉价、制备过程简单、工艺条件容易控制、对环境友好、适于工业化量产。(2)通过调节制备产物-多孔碳结构包覆的MxOy纳米颗粒复合材料的形貌及尺寸,拓展了该材料在电化学方面的应用,其中粒径50~100nm的Co3O4@C纳米球,其首次放电容量达到1290mAh/g以上,经500次充放电后,其比容量仍然达到450mAh/g,电容量达到440F/g以上,催化性极化曲线为142mAcm-2,使得复合材料电化学性能显著提高,可用于电极材料、超级电容材料、催化剂等。附图说明图1为本专利技术实施例1Co3O4@C多孔核壳纳米复合材料的制备方法流程示意图;图2为本专利技术实施例1制备得到的Co3O4@C多孔核壳纳米复合材料的显微组织结构;其中:图2a为Co3O4@C-1多孔核壳纳米片状结构的SEM图;图2b为Co3O4@C-2多孔核壳纳米块状结构的SEM图;图2c为Co3O4@C-3多孔核壳纳米球状结构的SEM图;图2d为Co3O4@C-1多孔核壳纳米片状结构的TEM图;图2e为Co3O4@C-2多孔核壳纳米块状结构的TEM图;图2f为Co3O4@C-3多孔核壳纳米球状结构的TEM图;图3为本专利技术实施例2制备得到的NiO@C多孔核壳纳米复合材料的显微组织结构;其中:图3a为NiO@C-1多孔核壳纳米片状结构的SEM图;图3b为NiO@C-2多孔核壳纳米块状结构的SEM图;图3c为NiO@C-3多孔核壳纳米球状结构的SEM图;图3d为NiO@C-1多孔核壳纳米片状结构的TEM图;图3e为NiO@C-2多孔核壳纳米块状结构的TEM图;图3f为NiO@C-3多孔核壳纳米球状结构的TEM图;图4为本专利技术MxOy@C多孔核壳纳米复合材料的制备步骤示意图。具体实施方式下面结合附图详细说明本专利技术的优选实施方式。实施例1一种Co3O4@C多孔核壳纳米复合材料的制备方法,包括如下步骤:(1)分别按Co(NO3)2·6H2O:葡萄糖质量比为1:2、1:1、2:1(分别对应表1中材料Co3O4@C-1、Co3O4@C-2、Co3O4@C-3),以及氯化钠共同溶解于去离子水中,将混合溶液先在磁力搅拌器上,加热搅拌至无固体颗粒,得到红色均一溶液,溶液中氯化钠的浓度为10-20%;(2)将搅拌后的溶液先煮沸0.5小时,让葡萄糖变性增加粘度络合金属离子,后放入60-95℃恒温磁力搅拌水浴锅中,2-6小时蒸发搅拌,直至溶液呈暗红色或黑色,待溶液颜色变深变黑,停止磁力搅拌,继续水浴加热至粘度增大,直至溶液呈粘稠状状时,取出;(3)将得到的混合粘稠物放在60-95℃的干燥箱中干燥12-24小时,得到干燥的氯化钠包覆的Co(NO3)2-C6H12O6复合结晶粉末,然后研磨;(4)将复合结晶粉末转入真空管式炉中,在450-750℃,氩气氛围下,流速50-200mL/min,煅烧2-4小时,优选750℃煅烧2小时,金属前体Co(NO3)2·6H2O分解形成氧化钴,来自葡萄糖的碳将氧化钴还原成钴纳米颗粒,在氯化钠颗粒表面上形成封装碳层,进而在钴纳米颗粒周围形成均匀厚度20-100nm的本文档来自技高网...
一种多孔核壳纳米复合材料及其制备方法

【技术保护点】
1.一种MxOy@C多孔核壳纳米复合材料,其特征在于:多孔碳纳米结构壳层均匀包覆于MxOy纳米颗粒表面,所述碳纳米结构为碳纳米片、纳米块或纳米球;M为选自Co、Ni中的任一种金属,M为Co时,x=3、y=4;M为Ni时,x=1、y=1。

【技术特征摘要】
1.一种MxOy@C多孔核壳纳米复合材料,其特征在于:多孔碳纳米结构壳层均匀包覆于MxOy纳米颗粒表面,所述碳纳米结构为碳纳米片、纳米块或纳米球;M为选自Co、Ni中的任一种金属,M为Co时,x=3、y=4;M为Ni时,x=1、y=1。2.根据权利要求1所述的纳米复合材料,其特征在于:所述MxOy@C多孔核壳纳米复合材料为平均粒径200~400nm的纳米片。3.根据权利要求1所述的纳米复合材料,其特征在于:所述MxOy@C多孔核壳纳米复合材料为平均粒径100-150nm的纳米块。4.根据权利要求1所述的纳米复合材料,其特征在于:所述MxOy@C多孔核壳纳米复合材料为平均粒径30-100nm的纳米球。5.根据权利要求1-4任一所述的纳米复合材料,其特征在于:所述多孔碳纳米结构壳层的厚度为20-100nm。6.一种权利要求1-5任一所述的MxOy@C多孔核壳纳米复合材料的制备方法,包括如下步骤:(1)将可溶性M金属盐、葡萄糖以及氯化钠共同溶解于水中,搅拌后得到均一混合溶液;(2)加热后形成粘稠物;(3)将步骤(2)得到的粘稠物干燥,得到氯化钠包覆的M金属盐-葡萄糖复合结晶粉末;(4)将研磨好的复合结晶粉末在氩气氛围下煅烧,M金属盐分解形成M金属氧化物,葡萄糖在高温氩气保护下热解的碳将所述M金属氧化物还原成M金属纳米颗粒,并在M金属纳米颗粒周围形成均匀厚度的多孔碳纳米结构;(5)将步骤(4)得到的纳米结构在空气中煅烧,氧化后得到多孔碳结构包覆的MxOy纳米颗粒复合材料。7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:通过控制所述可溶性M金属盐与葡萄糖的...

【专利技术属性】
技术研发人员:徐冬阳谢墨尹华歧
申请(专利权)人:成都市银隆新能源有限公司银隆新能源股份有限公司
类型:发明
国别省市:四川,51

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1