具有自支撑纳米片的纳米材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了具有自支撑纳米片的纳米材料及其制备方法和应用，该材料的核心为颗粒尺寸为0.05μm～20μm的金属片核，金属核表面为对应金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片形成的自支撑纳米结构。本发明专利技术的金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片是基于片层与金属内核以及片层与片层之间的自交联组装形成的，具有较高的比表面积和稳定的三维网络结构，其结合了金属氢氧化物优异的物理化学性能和纳米片超薄的特性。

Nanomaterials with self-supporting nanosheets and their preparation methods and Applications

The invention discloses a nanometer material with a self-supporting nanometer sheet and its preparation method and application. The core of the material is a metal sheet core with a particle size of 0.05-20 micron, and the surface of the metal core is a self-supporting nanometer structure formed by corresponding metal hydroxide and/or metal oxide nanosheets. The metal hydroxide and/or metal oxide nanosheets of the present invention are formed by self-crosslinking and assembling between the sheet and the metal core and between the sheet and the sheet. They have high specific surface area and stable three-dimensional network structure. They combine the excellent physical and chemical properties of metal hydroxide and the ultra-thin characteristics of the nanosheet.

【技术实现步骤摘要】
具有自支撑纳米片的纳米材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种纳米材料及其制备方法，特别涉及一种具有自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料及其制备方法和应用。
技术介绍
金属氢氧化物/氧化物超薄纳米片结构由于极大的比表面积，低廉的原料成本，在催化领域等到越来越多的关注。其优良的电催化性能，使得这种结构有希望替代贵金属成为新一代电极材料，广泛应用于电解水制氢，和制氧，以及燃料电池的电极材料。同时，其独特的片层孔道结构，可以实现可以同时利用双电层电容和法拉第准电容两种储能机制，使其作为超级电容器的电极材料时显示出一定的优越性特性。目前，制备金属氢氧化物/氧化物纳米片的主要方法是以金属盐为原料，利用水热法、化学沉积法、电沉积法、微波沉积法等进行制备。CN104291368A公开了二维单层镁铝层状双金属氢氧化物/氧化物纳米片的制备方法，该方法是将镁盐和铝盐溶解于甲酰胺中，并与强碱性氢氧化物混合，进行水热反应得到纳米片。CN105016398A公开了一种纳米薄片组装钴铁氢氧化物多级微球及其制备方法，该方法是以尿素等为碱源、柠檬酸三钠为络合剂、水和正丁醇为反应溶剂，采用化学溶液混合溶剂热制备单双层纳米薄片组装的层状双金属氢氧化物CoFe-LDHs多级微球。这类以金属盐为原料的制备方法，均需要有还原剂作用，使得制备过程较为复杂。鉴于此，人们也考虑到采用金属粉末制备金属氢氧化物。CN101759213A公开了一种金属粉制备层状双金属氢氧化物的方法，是将二价金属粉或其氢氧化物、三价金属粉或其氢氧化物、可溶性盐和去离子水按一定比例配制成水热溶液，在水热釜中进行水热反应的制备策略。但该方法并没有实现金属氢氧化物/氧化物纳米片的制备，且制备过程仍需要较高温度。因为金属氧化物很少有片层装的晶体结构，其纳米片的制备方法就更为困难。ShiXueDou等人在2014年的时候在naturecommunication杂志上首次报道了普适的金属氧化物纳米片合成方法。他们是利用有机物粘合剂和表面活性剂，合成包含金属氧化物的片层结构，然后再去掉有机物，最终得到金属氧化物纳米片。可见，现有技术中，主要有三个问题：一是反应物是多种化学原料，成本高，对环境污染大；二是反应条件苛刻，反应时间长，同时原料又必须是浓度较低的溶液，非常不利于大规模制备；三是合金体系扩展性差，对部分金属材料有所限制，不容易无法制备复合特殊体系的金属氢氧化物/氧化物纳米片。综上所述，若能采用简单易行的制备方法，利用纯的过渡金属及其合金粉末为原料制备出金属氢氧化物/氧化物纳米片显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有自支撑结构的金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料。本专利技术的另一个目的在于提供上述具有自支撑结构的金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料的制备方法。本专利技术的再一个目的于提供上述具有自支撑结构的金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料的应用。本专利技术所采取的技术方案是：一种具有自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料，纳米材料具有片状金属核，片状金属核的颗粒尺寸为0.05μm～10μm，片状金属核表面为对应金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片形成的自支撑结构。作为上述纳米材料的进一步改进，纳米片的平均厚度为1nm～50nm。作为上述纳米材料的进一步改进，纳米片的长度为100nm～100μm。作为上述纳米材料的进一步改进，片状金属核的平均厚度为0.01～1μm。作为上述纳米材料的进一步改进，金属为过渡金属元素或过渡金属形成的合金。更进一步的，金属选自钴、镍、铜、铁、锌、锰、钼中的至少一种，或至少两种金属元素形成的合金。一种具有多层自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料的制备方法，包括如下步骤：1)将平均颗粒尺寸为1μm～100μm的金属片与水溶液混合，不高于80℃下反应充分；2)反应结束后过滤，洗涤，不高于100℃下干燥，得到具有自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料。金属片的厚度优选为0.1μm～50μm。作为上述制备方法的进一步改进，水溶液的pH为7～14。作为上述制备方法的进一步改进，反应过程中适当搅拌，搅拌的速率为50～500rpm。作为上述制备方法的进一步改进，反应温度为15～45℃。作为上述制备方法的进一步改进，金属片的制备方法包括：将平均颗粒尺寸为1～50μm的金属颗粒和表面活性剂混合，球磨得到金属片。作为上述制备方法的进一步改进，表面活性剂为聚乙二醇，其添加量为金属颗粒质量的0.5～5％。上述具有自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料作为催化、吸附或储能材料的应用。本专利技术的有益效果是：本专利技术制备的金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片是基于片层与金属内核以及片层与片层之间的自交联组装形成的，具有较高的比表面积和稳定的三维网络结构，其结合了金属氢氧化物/氧化物优异的物理化学性能和纳米片超薄的特性。本专利技术方法利用金属腐蚀的原理，在金属粉末表面生长金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片，再过滤干燥使其转变成自支撑的金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片材料。与现有技术相比，本专利技术的技术方案新颖简单、绿色环保，其突破了现有制备纳米片时需使用大量化学试剂和加温反应釜的限制，利用金属粉末自身的特性，实现了无需化学试剂的情况下的制备。形成的具有自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料具有优异的吸附性能，光热和电学特性，可以开发成为吸附材料，储能材料或者是电极材料，例如，作为重金属及阴离子染料吸附材料、气体吸附材料、超级电容器储能材料、电解水的电极材料、锂离子电池的负极材料等，在环保和能源等领域中具有重要的潜在应用，这对于拓展金属氢氧化物材料的应用具有十分重要的意义。附图说明图1为实施例1所用原料的电子显微镜照片；图2为实施例1所制备的片状钴粉的电子显微镜图片图3为实施例1所制备的自支撑钴氢氧化物多级纳米片的电子显微镜图片；图4为实施例1所制备的自支撑钴氢氧化物多级纳米片的X射线衍射谱；图5为实施例2所用镍粉的电子显微镜图片；图6为实施例2所制备的片状镍钴合金粉的电子显微镜图片；图7为实施例2所制备的自支撑镍钴氢氧化物多级纳米片的电子显微镜图片；图8为实施例6所制备的微米钴粉的电子显微镜图片；图9为实施例6所制备的自支撑钴氢氧化物颗粒的电子显微镜图片；图10为实施例6所制备的自支撑钴氢氧化物颗粒横截面的电子显微镜图片；图11为实施例1制得的自支撑钴氢氧化物多级纳米片电流-电压曲线。具体实施方式一种具有自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料，纳米材料具有片状金属核，片状金属核的颗粒尺寸为0.05μm～10μm，片状金属核表面为对应金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片形成的自支撑结构。自支撑指纳米片之间相互支撑，保持其整体的纳米结构相对稳定，不发生崩塌。片状金属核在保持微米量级尺度的情况下，兼具了纳米颗粒才能拥有的高比表面积。在其上生长的纳米片可以更好地分散和相互支持，以获得最大比表面积，有利于催化反应。由于整体材料呈自支撑结构，不需要负载在其他基底上便可用于催化反应，同时由于材料的尺寸保持在微米量级，可轻易地收集和循环利用。作为上述纳米材料的进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料，纳米材料具有片状金属核，片状金属核的颗粒尺寸为0.05μm～10μm，片状金属核表面为对应金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片形成的自支撑结构。

【技术特征摘要】
1.一种具有自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料，纳米材料具有片状金属核，片状金属核的颗粒尺寸为0.05μm～10μm，片状金属核表面为对应金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片形成的自支撑结构。2.根据权利要求1所述的纳米材料，其特征在于：纳米片的平均厚度为1nm～50nm。3.根据权利要求1或2所述的纳米材料，其特征在于：纳米片的长度为100nm～100μm。4.根据权利要求1所述的纳米材料，其特征在于：片状金属核的平均厚度为0.01～1μm。5.根据权利要求1、2或4所述的纳米材料，其特征在于：金属为过渡金属元素或过渡金属形成的合金。6.根据权利要求5所述的纳米材料，其特征在于：金属选自钴、镍、铜、铁、锌、锰、钼中的至少一种，或至少两种金属元素形成的合金。7.一种具有多层自支撑金属氢氧化物和/或金属氧化物纳米片的纳米材料的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻学锋，康翼鸿，刘丹妮，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44