一种三维分级结构金属氧化物及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种三维分级结构金属氧化物及其制备方法，是将金属氢氧化物前体超声分散于浓硫酸中，在100℃下浸渍处理6～12h；然后将处理之后的样品置于管式炉当中，在空气中500℃煅烧2h，得到金属氧化物纳米材料。本发明专利技术利用浓H2SO4的强氧化性和脱水性，在浸渍过程中氧化清除多余杂质同时脱水使得物质内部形成丰富交错的孔结构，从而制备得到具有大比表面积的金属氧化物。与未处理的金属氢氧化物相比较，经浓硫酸处理的金属氢氧化物在经过煅烧之后有更大的比表面积，更丰富的孔结构，为三维分级结构金属氧化物纳米材料的制备提供了新思路。

A three-dimensional hierarchical metal oxide and its preparation method

The present invention provides a three-dimensional hierarchical structure metal oxide and its preparation method. The metal hydroxide precursor is ultrasonic dispersed in concentrated sulfuric acid, impregnated for 6-12 hours at 100 (?) C, and then the treated sample is placed in a tubular furnace, calcined at 500 (?) C for 2 hours in air to obtain metal oxide nanomaterials. The invention utilizes strong oxidation and dehydration of concentrated H2SO4 to remove excess impurities during impregnation and dehydrate at the same time to form rich interlaced pore structure inside the substance, thereby preparing metal oxides with large specific surface area. Compared with untreated metal hydroxides, the calcined metal hydroxides treated with concentrated sulfuric acid have larger specific surface area and more abundant pore structure, which provides a new idea for the preparation of three-dimensional hierarchical metal oxide nanomaterials.

【技术实现步骤摘要】
一种三维分级结构金属氧化物及其制备方法
本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种三维分级结构金属氧化物及其制备方法。
技术介绍
金属氧化物具有许多奇特的性质，有着广泛的应用前景，在近几十年处于材料科学的研究前沿。纳米尺度下的金属氧化物，其物理与化学性质都会发生很大变化。众所周知，纳米材料的物理、化学性质不仅与其大小尺寸有关，还与其表面结构、裸露晶面、维度等密切相关，所以能够控制这些参数中的任何一个都可以有效地调控它们的性质。为了使这些具有优良特性的金属氧化物纳米材料得到广泛应用，合理设计简单、经济、有效、环境友好的制备方法来实现对纳米材料尺寸、形貌、结构的控制具有十分重要的意义。迄今为止，制备金属氧化物纳米材料的技术方法有很多，例如煅烧、热分解、离子交换、脱水等。金属氧化物纳米材料因其尺寸小、比表面积大、活性中心多,以及独特的晶体结构和特殊的表面特性(高表面活性和表面能),作为催化剂提高体系反应效率。因此,构建纳米材料催化剂及其在催化领域中的应用受到广泛的关注。另外，人类在研究新型高效的能量转换及储存元件中，投入了诸多精力，目前研究最多的主要包括钠离子电池，锂离子电池，锌-空气电池，超级电容器等。电极材料是电池或电容器的核心组成，电荷的存储方式、电容性能、循环寿命由电极材料的性质决定。其中金属氧化物是一种重要的电极材料。金属氧化物具有多种氧化态，可设计的特殊结构，高的理论比电容，低毒性以及低成本等优点而被认为是最有潜力的电极材料之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提供一种新型的三维分级结构金属氧化物纳米材料的制备方法。本专利技术还有一个目的，就是提供一种以该三维分级结构金属氧化物纳米材料制备的燃料电池电极催化剂，电容器电极材料和重金属吸附材料。一种三维分级结构金属氧化物的制备方法，包括以下步骤：(1)将金属盐与氢氧化钠以一定的摩尔比加入到水中，搅拌使其混合均匀，于室温下反应4～16h；反应完成后，过滤，干燥，得到金属氢氧化物前体；(2)将金属氢氧化物置于浓硫酸中，于100℃下浸泡6～12h，然后将处理之后的样品置于管式炉当中，在空气中进行煅烧，得到金属氧化物纳米材料。进一步地，如上所述三维分级结构金属氧化物的制备方法，所述金属盐包括：氯化铁，乙酸镍，乙酸钴或硝酸钴。进一步地，如上所述三维分级结构金属氧化物的制备方法，步骤(1)中金属氢氧化物前体的干燥条件为：60℃真空干燥24h。进一步地，如上所述三维分级结构金属氧化物的制备方法，金属盐与氢氧化钠的摩尔比为1：3。进一步地，如上所述三维分级结构金属氧化物的制备方法，步骤(2)中煅烧的条件为500℃煅烧2h。如上任一所述方法制备得到的三维分级结构金属氧化物。有益效果：1、采用浓硫酸处理氢氧化物再煅烧形成的氧化物比直接煅烧氢氧化物得到的氧化物具有更多的孔和更大的比表面积。2、浓硫酸处理氢氧化物有利于构造三维分级结构的氧化物。3、实验中浓硫酸可循环重复利用，并且实验工艺简单，损耗小。附图说明图1为浓硫酸处理后得到的Fe2O3的SEM图；图2为直接煅烧Fe(OH)3形成的Fe2O3和浓硫酸处理Fe(OH)3后得到的Fe2O3的XRD图；图3为20％wtPt/C和Fe2O3-Pt/C在0.1MKOH溶液中的线性循环伏安测试图；图4为20％wtPt/C和Fe2O3-Pt/C在0.1MKOH溶液中的循环伏安测试图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术开发了一种新型的合成方法，引入浓硫酸处理氢氧化物前体。通过浓硫酸处理金属氢氧化物时对其形貌和结构的影响较大，从而实现三维分级结构金属氧化物纳米材料的制备。本专利技术利用浓硫酸处理金属氢氧化物前体再煅烧得到三维分级结构的金属氧化物。该氧化物具有较多的孔结构，增大比表面积的同时增强了催化活性。在电催化氧还原、电容器以及重金属吸附等方面都有较好的应用前景。本专利技术的三维分级结构金属氧化物纳米材料的制备方法，包括以下工艺步骤：(1)将金属盐与氢氧化钠以一定的摩尔比加入到水中，搅拌使其混合均匀，于室温下反应4～16h；反应完成后，抽滤，干燥，得到金属氢氧化物前体；(2)将金属氢氧化物前体置于浓硫酸中，于100℃下浸泡6～12h，然后将处理之后的样品置于管式炉当中，空气中500℃煅烧2h，得到金属氧化物纳米材料。本专利技术的材料是以浓硫酸处理Fe(OH)3前体，再以高温煅烧处理得到三维分级结构的Fe2O3。图1为三维分级结构Fe2O3纳米材料的扫描电镜(SEM)图。从图1中可以看出，材料呈三维网状分布。图2为本专利技术制备的三维分级结构Fe2O3纳米材料的XRD图。从图2中可以看出，直接煅烧Fe(OH)3形成的Fe2O3XRD出峰更尖锐，峰宽更窄，说明直接煅烧的材料团聚形成大块，而浓硫酸处理过的样品，XRD出峰相对弱化，峰宽更宽，这也与图1显示形成三维分级结构相互应证。本专利技术三维分级结构Fe2O3纳米材料催化剂的制备方法，是将FeCl3与NaOH以1：3的摩尔比加入到水中，搅拌使其混合均匀，于室温下反应4h；反应完成后，抽滤，干燥，得到Fe(OH)3前体；将氢氧化铁置于浓硫酸中，于100℃下浸泡12h，将处理之后的样品置于管式炉当中，在空气中500℃煅烧2h，得到Fe2O3。上述制备的三维分级结构Fe2O3纳米材料催化剂的性能测试：将Fe2O3与20％wtPt/C进行混合得到的催化剂在0.1MKOH溶液中进行了线性循环伏安测试，并与单独的20％wtPt/C进行了对比。图3为20％wtPt/C和Fe2O3-Pt/C在0.1MKOH溶液中的循环伏安测试图。由图3可以看出Fe2O3-Pt/C催化剂在线性循环伏安测试中，氧还原起始电位相比20％wtPt/C相对提前了。说明本专利技术形成的三维分级结构的氧化铁材料对催化氧还原有一定的贡献。三维分级结构Fe2O3纳米材料催化剂对氧还原催化耐久性测试：将Fe2O3与20％wtPt/C进行混合得到的催化剂在0.1MKOH溶液中进行了循环伏安测试，并与单独的20％wtPt/C进行了对比。图4为20％wtPt/C和Fe2O3-Pt/C在0.1MKOH溶液中的循环伏安测试图。由图4可以看出Fe2O3-Pt/C在循环伏安测试中，1000圈的脱氢区面积减小的很少，而20％wtPt/C催化剂1000圈的脱氢区面积有很大的减小，说明本专利技术形成的三维分级结构的氧化铁材料有利于20％wtPt/C稳定性的提高。综上所述，本专利技术金属氧化物催化剂稳定性好、活性高、使用寿命长。在氧还原过程中显示出很好的催化活性，可以用于燃料电池催化剂。实施例1(1)三维分级结构Fe2O3纳米材料的制备在100ml圆底烧瓶中，加入1mmolFeCl3和30ml的H2O，搅拌均匀；加入0.12g氢氧化钠，继续搅拌，于室温反应4h：反应完成后，抽滤，洗涤，70℃干燥10h，得到Fe(OH)3前体。将Fe(OH)3置于浓硫酸中，在100℃下浸泡12h，然后将浓硫酸处理后的样品置于管式炉当中，在空气中500℃煅烧2h,最终本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三维分级结构金属氧化物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将金属盐与氢氧化钠以一定的摩尔比加入到水中，搅拌使其混合均匀，于室温下反应4～16h；反应完成后，过滤，干燥，得到金属氢氧化物前体；(2)将金属氢氧化物置于浓硫酸中，于100℃下浸泡6～12h，然后将处理之后的样品置于管式炉当中，在空气中进行煅烧，得到金属氧化物纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种三维分级结构金属氧化物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将金属盐与氢氧化钠以一定的摩尔比加入到水中，搅拌使其混合均匀，于室温下反应4～16h；反应完成后，过滤，干燥，得到金属氢氧化物前体；(2)将金属氢氧化物置于浓硫酸中，于100℃下浸泡6～12h，然后将处理之后的样品置于管式炉当中，在空气中进行煅烧，得到金属氧化物纳米材料。2.如权利要求1所述三维分级结构金属氧化物的制备方法，其特征在于：所述金属盐包括：氯化铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：季山，王鹏，丁婕婷，王辉，王荣方，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33