一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法及应用，属于无机纳米材料制备技术领域。本发明专利技术采用盐酸多巴胺为碳源，利用碳酸铵或碳酸氢铵溶液作为金属盐沉淀剂，同时碳酸铵或碳酸氢铵溶液提供的碱性环境诱导多巴胺聚合反应，形成金属碳酸盐/聚多巴胺复合材料，最后经过高温热处理一方面使金属碳酸盐分解得到金属氧化物，另一方面使聚多巴胺在高温下碳化，最终获得金属氧化物/碳复合材料。本发明专利技术方法操作简单，具有良好的可控性和重复性，可实现大规模生产，制得的金属氧化物/碳复合材料可应用于储能、催化、传感、吸附等领域。

Preparation and application of a metal oxide / carbon composite material

The invention discloses a preparation method and application of a metal oxide/carbon composite material, belonging to the technical field of preparing inorganic nanometer materials. In the present invention, dopamine hydrochloride is used as carbon source, ammonium carbonate or ammonium bicarbonate solution is used as metal salt precipitator, and the alkaline environment provided by ammonium carbonate or ammonium bicarbonate solution is used to induce dopamine polymerization to form metal carbonate/polydopamine composite material. At last, metal carbonate is separated by high temperature heat treatment. Metal oxides were obtained by decomposition, on the other hand, polydopamine was carbonized at high temperature, and finally metal oxides / carbon composites were obtained. The method has the advantages of simple operation, good controllability and repeatability, and can realize large-scale production. The prepared metal oxide/carbon composite material can be used in the fields of energy storage, catalysis, sensing, adsorption and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法及应用
本专利技术属于无机纳米材料制备
，具体涉及一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
金属氧化物/碳复合材料是一类重要的复合材料，目前已广泛应用于储能、催化、传感、吸附等领域。碳材料通常具有较高的电导率和较大的比表面积，与金属氧化物复合后，往往可以提高材料整体的导电性，使得复合材料的应用性能得到一定的提升。由于碳源的种类和制备方法非常丰富，因而金属氧化物/碳复合材料的制备方法也多种多样。较为直接的方法是将金属氧化物粉末与碳材料(如石墨烯、CNT、活性炭等)采用球磨等方法充分混合形成复合材料；或是在碳材料表面通过化学反应生成金属氧化物，从而获得金属氧化物/碳复合材料；或是采用高分子碳材料，通过高温碳化方法在金属氧化物表面包覆一层碳薄膜；也可以采用小分子碳源，利用CVD技术在金属氧化物表面制备一层碳层。选择不同的碳源种类和复合材料的制备工艺，所获得的碳复合材料在微观形貌与材料性质方面都有很大差异。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法及应用，操作简单，具有良好的可控性和重复性，可实现大规模生产，制得的金属氧化物/碳复合材料可应用于储能、催化、传感、吸附等领域。本专利技术的技术方案如下：一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、配制浓度为0.005～1mol/L的水溶性金属盐溶液；步骤2、在步骤1得到的金属盐溶液中加入盐酸多巴胺(C8H11NO2·HCl)，搅拌使其充分溶解，得到混合液A；其中，混合液A中盐酸多巴胺的质量浓度为0.1～3mg/mL；步骤3、配制碳酸铵((NH4)2CO3)或碳酸氢铵(NH4HCO3)溶液；步骤4、将步骤3配制的碳酸铵或碳酸氢铵溶液加入步骤2得到的混合液A中，搅拌反应0.5～10小时；其中，碳酸铵或碳酸氢铵与步骤1水溶性金属盐中金属离子的摩尔比为(2～10)：1；步骤5、将步骤4反应后的溶液过滤、洗涤并干燥，将干燥后的粉末在惰性气体气氛中600～800℃下热处理1～6h，随炉自然冷却至室温后，即可获得金属氧化物/碳复合材料。进一步地，步骤1所述水溶性金属盐为锰盐、锌盐、镍盐、钴盐中的一种或几种；步骤1所述的水溶性金属盐包括金属氯盐、硝酸盐、醋酸盐等。进一步地，步骤5所述惰性气体为氩气或氮气等。本专利技术还提供了上述金属氧化物/碳复合材料在锂离子电池、超级电容器、光化学催化、气体吸附和传感器中的应用。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法中，采用盐酸多巴胺为碳源，利用碳酸铵或碳酸氢铵溶液作为金属盐沉淀剂，同时碳酸铵或碳酸氢铵溶液提供的碱性环境诱导多巴胺聚合反应，形成金属碳酸盐/聚多巴胺复合材料，最后经过高温热处理一方面使金属碳酸盐分解得到金属氧化物，另一方面使聚多巴胺在高温下碳化，最终获得金属氧化物/碳复合材料。本专利技术方法操作简单，具有良好的可控性和重复性，可实现大规模生产；通过选择两种或两种以上的金属盐，可获得多元金属氧化物/碳复合材料；通过控制金属离子浓度、盐酸多巴胺的浓度、反应时间等参数，可获得碳含量可调的金属氧化物复合材料，例如当盐酸多巴胺浓度为1mg/mL、其他反应条件均相同时，反应2小时获得的复合材料的碳含量小于3wt％，反应6小时获得的复合材料的碳含量则超过10wt％。附图说明图1为本专利技术实施例1生成的MnO/C纳米复合材料的SEM图像；(a)10k放大倍数，(b)50k放大倍数；图2为本专利技术实施例1生成的MnO/C复合材料在空气中高温去除碳材料后剩余的MnO的SEM图像；图3为本专利技术实施例2生成的MnO/ZnO/C复合材料的SEM图像；(a)10k放大倍数，(b)50k放大倍数；图4为本专利技术实施例2生成的MnO/ZnO/C复合材料的XRD图谱；图5为本专利技术实施例2、3、4获得的MnO/ZnO/C复合材料的热重曲线；图6为本专利技术实施例2生成的MnO/ZnO/C复合材料组装的锂离子电池的充放电曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例，详述本专利技术的技术方案。实施例1一种MnO/C复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将1.98g的MnCl2·4H2O(10mmol)加入250mL去离子水中，搅拌使其充分溶解，得到氯化锰溶液；步骤2、在步骤1得到的氯化锰溶液中加入250mg盐酸多巴胺粉末(1mg/mL)，搅拌使其充分溶解，得到混合液A；步骤3、称取9.6g的(NH4)2CO3粉末(100mmol)，溶解于250mL去离子水中，得到碳酸铵溶液；步骤4、将步骤3配制的250mL(NH4)2CO3溶液缓慢倒入步骤2得到的混合液A中，搅拌反应2小时；步骤5、将步骤4反应后的溶液过滤，得到的沉淀用去离子水洗涤3～5次后，在烘箱中80℃干燥24h；步骤6、将步骤5干燥后的粉末置于管式炉中，在Ar气气氛下以5℃/min的升温速率由室温升至600℃，热处理6h，完成后随炉自然冷却至室温后，取出，即可得到所述MnO/C复合材料。实施例2一种MnO/ZnO/C复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将1.98g的MnCl2·4H2O(10mmol)和1.487gZn(NO3)2·6H2O(5mmol)加入250mL去离子水中，搅拌使其充分溶解，得到混合液；步骤2、在步骤1得到的混合液中加入250mg盐酸多巴胺粉末(1mg/mL)，搅拌使其充分溶解，得到混合液A；步骤3、称取9.6g的(NH4)2CO3粉末(100mmol)，溶解于250mL去离子水中，得到碳酸铵溶液；步骤4、将步骤3配制的250mL(NH4)2CO3溶液缓慢倒入步骤2得到的混合液A中，搅拌反应2小时；步骤5、将步骤4反应后的溶液过滤，得到的沉淀用去离子水洗涤3～5次后，在烘箱中80℃干燥24h；步骤6、将步骤5干燥后的粉末置于管式炉中，在Ar气气氛下以5℃/min的升温速率由室温升至600℃，热处理6h，完成后随炉自然冷却至室温后，取出，即可得到所述MnO/ZnO/C复合材料。实施例3本实施例与实施例1相比，区别在于：步骤4反应时间为6h，其余步骤与实施例1相同。实施例4本实施例与实施例1相比，区别在于：步骤4反应时间为10h，其余步骤与实施例1相同。图1为本专利技术实施例1生成的MnO/C纳米复合材料的SEM图像；(a)10k放大倍数，(b)50k放大倍数；由图1可知，实施例1生成的MnO/C纳米复合材料直径为500nm左右。图2为本专利技术实施例1生成的MnO/C复合材料在空气中高温去除碳材料后剩余的MnO的SEM图像；由图2可知，去除碳材料后的MnO是由平均粒径为50nm的初级纳米颗粒组成的直径约为500nm的多孔材料，与图1(b)对比可知，MnO/C复合材料中，碳材料是填充在MnO纳米颗粒缝隙并包覆在MnO颗粒表面，因而表明本专利技术制得的金属氧化物/碳复合材料是一种三维的复合结构。图3为本专利技术实施例2生成的MnO/ZnO/C复合材料的SEM图像；(a)10k放大倍数，(b)50k放大倍数；由图3可知，实施例2生成的MnO/ZnO/C复合材料是直径为500nm左右的微球。图4为本专利技术实施例2生成的MnO/ZnO/C复合材料的XRD图谱；图4中可明显看到MnO和ZnO的衍射峰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、配制浓度为0.005～1mol/L的水溶性金属盐溶液；步骤2、在步骤1得到的金属盐溶液中加入盐酸多巴胺，搅拌使其充分溶解，得到混合液A；其中，混合液A中盐酸多巴胺的质量浓度为0.1～3mg/mL；步骤3、配制碳酸铵或碳酸氢铵溶液；步骤4、将步骤3配制的碳酸铵或碳酸氢铵溶液加入步骤2得到的混合液A中，搅拌反应0.5～10小时；其中，碳酸铵或碳酸氢铵与步骤1水溶性金属盐中金属离子的摩尔比为(2～10)：1；步骤5、将步骤4反应后的溶液过滤、洗涤并干燥，将干燥后的粉末在惰性气体气氛中600～800℃下热处理1～6h，随炉自然冷却至室温后，即可获得金属氧化物/碳复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种金属氧化物/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、配制浓度为0.005～1mol/L的水溶性金属盐溶液；步骤2、在步骤1得到的金属盐溶液中加入盐酸多巴胺，搅拌使其充分溶解，得到混合液A；其中，混合液A中盐酸多巴胺的质量浓度为0.1～3mg/mL；步骤3、配制碳酸铵或碳酸氢铵溶液；步骤4、将步骤3配制的碳酸铵或碳酸氢铵溶液加入步骤2得到的混合液A中，搅拌反应0.5～10小时；其中，碳酸铵或碳酸氢铵与步骤1水溶性金属盐中金属离子的摩尔比为(2～10)...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯婷婷，吴孟强，廖家轩，巩峰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51