经由新型试剂合成的金属纳米颗粒及在电化学装置中的应用制造方法及图纸

本发明专利技术提供了经由新型试剂合成的金属纳米颗粒及在电化学装置中的应用。具体地，提供了合成金属纳米颗粒的方法和如此制备的纳米颗粒。该方法包括向零价金属与氢化物之间的新型试剂络合物添加表面活性剂。通过该方法制备的纳米颗粒包括在制作蓄电池电极中有用的不含氧化物的零价锡纳米颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】经由新型试剂合成的金属纳米颗粒及在电化学装置中的应 用 相关申请的交叉引用 本申请是2013年10月4日提交的申请号14/046, 120的部分继续，通过引用将其 以其全文并入本文。
本专利技术整体上涉及合成含有两种或更多种零价金属的纳米颗粒的方法，并且还整 体上涉及包含这样的纳米颗粒的电极和包含这样的电极的电化学电池。
技术介绍
金属纳米颗粒，即具有小于100nm尺度的处于纯的或合金化形式的单质金属的颗 粒，与它们相应的块体金属相比具有独特的物理、化学、电、磁、光学和其它性质。因此它们 在例如尤其是化学、医学、能量和先进电子学的领域中得到使用和开发。 金属性纳米颗粒的合成方法通常表征为"自顶向下"或"自底向上"并且包含各种 化学、物理甚至生物途径。自顶向下技术涉及使用各种物理力将宏观尺度或块体金属物理 分解为纳米尺度的颗粒。自底向上方法涉及由分离的原子、分子或簇形成纳米颗粒。 用于自顶向下的金属纳米颗粒合成的物理力方法包括宏观尺度金属颗粒的研磨、 宏观尺度金属的激光烧蚀和宏观尺度金属的火花电蚀。自底向上合成的化学途径通常包括 将金属盐还原成零价金属，并且结合围绕成核种子颗粒的生长或自成核并生长成金属纳米 颗粒。 虽然这些方法中的每种方法在某些情形下可为有效的，但是每种方法也具有缺点 或情形不可适用性。直接研磨方法可限于可获得的颗粒尺寸（制备小于~20nm的颗粒往 往是困难的）并且可导致合金的化学计量比控制的丧失。其它物理方法可为昂贵的或者对 于工业规模而言为不可修改的（unamenable) 〇 在其中金属阳离子耐还原的情形下，化学还原技术可能无效。例如，众所周知 Mn(II)不受化学还原影响。常规的化学反应途径还可不适合于制备用于对氧化为高度敏感 的应用的纳米颗粒。例如，可难以由还原途径获得小于20nm的尺寸的锡纳米颗粒并且甚至 当如此获得时其倾向于包含大比例的Sn02。 锡是用于蓄电池电极的有前景的材料。例如，作为Li离子蓄电池中的阳极，锡可 储存常用石墨阳极的电荷密度的约三倍。近来显示了锡基材料在用作高能量密度Mg离子 蓄电池的Mg离子插入型阳极中保持好的前景。特别地，由~lOOnm锡粉末制作的阳极材料 实现了高容量和低插入/提取电压。 在铋的镁化（其可在具有铋基阳极的Mg离子蓄电池的工作期间发生）时，认为 形成了超离子导电材料Mg3Bi2。相比之下，镁化的锡不形成超离子导电材料并且如提及的 其对于差的倍率能力具有敏感性。作为纳入锡和铋两者的有益性质的阳极活性材料，例如 锡-铋核-壳纳米颗粒，可具有整体上改进电化学电池并且特别是Mg-离子电化学电池的 性能的能力。
技术实现思路
提供了经由新型试剂合成金属纳米颗粒的方法。还提供了包含通过所公开的方法 合成的核-壳金属纳米颗粒的电极。另外提供了采用这样的电极的电化学电池。 在一方面，公开了合成金属纳米颗粒的方法。该方法包括向核试剂络合物添加表 面活性剂以制备核纳米颗粒的步骤，该核试剂络合物由式I描述， 其中M&是零价金属，其中x是氢化物分子，并且其中y是大于零的值。该方法还 包括在核纳米颗粒的存在下向壳试剂络合物添加表面活性剂的步骤，该壳试剂络合物由式II描述， 其中M!是原子序数不同于M&的零价金属，其中X'是氢化物分子，其可与x相 同或不同，并且其中y是大于零的值。 在另一方面，公开了包含核-壳金属纳米颗粒的电极。通过一种方法合成构成该 电极的核-壳金属纳米颗粒，该方法包括向核试剂络合物添加表面活性剂以制备核纳米颗 粒，该核试剂络合物由式I描述， 其中M&是零价金属，其中X是氢化物分子，并且其中y是大于零的值。该方法还 包括在核颗粒纳米的存在下向壳试剂络合物添加表面活性剂的步骤，该壳试剂络合物由式II描述， 其中是原子序数不同于M&的零价金属，其中X'是氢化物分子，其可与X相 同或不同，并且其中y是大于零的值。 在另一方面，公开了电化学电池。该电化学电池具有包含核-壳金属纳米颗粒的 电极。通过一种方法合成构成该电极的核-壳金属纳米颗粒，该方法包括向核试剂络合物 添加表面活性剂以制备核纳米颗粒，该核试剂络合物由式I描述， 其中是零价金属，其中X是氢化物分子，并且其中y是大于零的值。该方法还 包括在核纳米颗粒的存在下向壳试剂络合物添加表面活性剂的步骤，该壳试剂络合物由式II描述，其中M^.是原子序数不同于M&的零价金属，其中X'是氢化物分子，其可与X 相同或不同，并且其中y是大于零的值。【附图说明】 由结合附图的以下实施方案描述本专利技术的各个方面和优点将变得清楚和更容易 理解，其中： 图1是通过本文报道的方法合成的锡纳米颗粒的X射线衍射光谱；和 图2A是Sn°粉末的X射线光电子能谱； 图2B是通过本文报道的方法制备的Sn? (LiBH4)2络合物的X射线光电子能谱；和 图2C是图2A的Sn°粉末的X射线能谱和图2B的通过图2的方法制备的 Sn?(LiBH4)2络合物的X射线光电子能谱的交叠；图3是具有包含通过本文报道的方法合成的Sn-Bi核-壳纳米颗粒的阳极的Mg离子电化学电池的第一循环镁化曲线；和 图4是具有包含通过本文报道的方法合成的Bi-Sn核-壳纳米颗粒的阳极的Mg 离子电化学电池的第一循环镁化曲线。【具体实施方式】 描述了合成金属纳米颗粒的方法、如此合成的纳米颗粒和包含该纳米颗粒的电化 学装置。如在以下描述中解释的，该方法涉及表面活性剂与包含零价金属和氢化物的新型 试剂络合物之间的反应。"零价金属"可替代性地描述为单质金属或处于零氧化态的金属。 新型试剂络合物可替代性地描述为络合物。 如本文使用的，"金属"可意指碱土金属、碱金属、过渡金属、或过渡后金属。短语 "过渡金属"可意指第3至12族的任何D区金属。短语"过渡后金属"可意指第13至16族 的任何金属，包括铝、镓、铟、锡、铊、铅或铋。在一些变体中，金属将为过渡金属或过渡后金 属。在一些实例中，金属将为锡。 如本文使用的，"氢化物"可为固体金属氢化物（例如NaH或MgH2)，类金属氢化物 (例如BH3)，复合金属氢化物（例如LiAlH4)，或还称作氢化物盐的类金属氢化物盐（例如 LiBH4)。术语"类金属"可意指硼、硅、锗、5申、锑、碲或钋中的任何类金属。在一些实例中，氢 化物将为LiBH4。由复合金属氢化物和类金属氢化物盐组成的组中的任何成员可称为"复合 氢化物"。应当理解如本文中使用的术语氢化物还可包括相应的氘化物或氚化物。 合成金属纳米颗粒的方法包括向核试剂络合物添加表面活性剂以制备核纳米颗 粒的步骤，该核试剂络合物由式I描述： 其中M&是零价金属，其中X是氢化物分子，并且其中y是大于零的整数值或分数 值。在一些情况下，y将为等于或小于四的整数值或分数值。 合成金属纳米颗粒的方法包括在核纳米颗粒的存在下向壳试剂络合物添加表面 活性剂的另一个步骤，该壳试剂络合物由式II描述， 其中M!.是原子序数不同于的零价金属，其中X'是氢化当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
合成金属纳米颗粒的方法，该方法包括：向核试剂络合物添加表面活性剂以制备核纳米颗粒，该核试剂络合物由式I描述，其中是零价金属，其中X是氢化物分子，并且其中y是大于零的值；和在核纳米颗粒的存在下向壳试剂络合物添加表面活性剂，该壳试剂络合物由式I I描述：其中是原子序数不同于的零价金属，其中X′是氢化物分子，其可与X相同或不同，并且其中y是大于零的值。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：N·辛格，M·P·罗威，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，
类型：发明
国别省市：美国;US