一种空心结构材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种空心结构材料及其制备方法和应用；该制备方法包括以下步骤：a)制备金属有机框架材料(MOF)；b)将步骤a)得到的MOF材料用大分子酸溶液进行刻蚀，得到空心MOF材料；c)将步骤b)得到的空心MOF材料进行高温碳化，得到具有空心结构的MOF衍生材料。本发明专利技术提供的制备方法简单高效，条件温和，安全性高，可以得到多种空心结构材料，包括简单中空结构，蛋黄

【技术实现步骤摘要】
一种空心结构材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及无机纳米材料合成
，更具体地说，是涉及一种空心结构材料，包括简单中空结构，蛋黄
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蛋壳结构，多腔室结构，及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]中空结构，包括简单空心结构，尤其是复杂空心结构，其空心结构特有的分级构筑单元使其不仅具有纳米材料的优良特性，而且其空隙可作为缓冲区来缓和材料反应过程中的体积膨胀，并且有利于气体或液体在其内部的传输，使其在传感器、光催化、药物运输、太阳能电池、锂离子电池及超级电容器领域有着广泛的应用。然而目前很多合成复杂空心结构的方法主要是软模板法和硬模板法，其复杂而繁琐的合成过程限制了材料的合成效率，难以做到工业化的大范围推广。因而开发一种无需模板，简单易行，低成本的方法合成中空结构对现代科技发展有着重大的推进作用。

技术实现思路

[0003]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种空心材料，包括简单中空结构，蛋黄
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蛋壳结构，多腔室结构，及其制备方法和应用，本专利技术提供的制备方法以有机金属框架为原料，经过大分子酸刻蚀，再将其在惰性气氛下热处理即可得到空心材料。本专利技术提供的制备方法简单高效，条件温和，安全性高，可以得到多种空心结构材料，包括简单中空结构，蛋黄
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蛋壳结构，多腔室结构等，具有广阔的应用前景。以多腔室空心结构材料作为硫的载体，进一步制备的多腔室空心结构/硫复合电极，极大地提高了室温钠硫电池的放电容量和循环寿命。
[0004]本专利技术提供了一种空心材料的制备方法，包括以下步骤：
[0005]a)配置金属盐和有机配体的混合液，进行反应，产物离心洗涤后烘干，得到金属有机框架材料；
[0006]b)将步骤a)得到的金属有机框架材料分散到大分子酸溶液中，进行刻蚀，得到空心金属有机框架材料；
[0007]c)将步骤b)得到的多腔室金属有机框架材料进行高温碳化，得到MOF衍生的空心纳米材料。
[0008]所述的MOF可选自ZIF系列或MIL系列中的多种。
[0009]所述的金属盐可选自硝酸锌，醋酸锌，硝酸钴，醋酸钴，硝酸铁，硝酸镍，硝酸铝中的一种或两种及以上；
[0010]所述的有机配体选自二甲基咪唑或反丁烯二酸；
[0011]所述的混合液溶剂选自去离子水、甲醇中的一种或几种；
[0012]本专利技术对以上所述药品的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
[0013]所述大分子酸选自单宁酸、植酸和鞣花酸中的一种或多种；本专利技术对所述大分子
酸的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述单宁酸、植酸和鞣花酸的市售商品即可。
[0014]在本专利技术中，所述大分子酸溶液的溶剂优选为水或乙醇，更优选为水；所述大分子酸溶液的浓度(上述刻蚀过程中两次溶剂总和作为大分子酸溶液总的溶剂量)优选为1mg/mL～10mg/mL，更优选为5mg/mL。
[0015]所述金属有机框架材料与大分子酸的质量比为1：(0.5～5)。
[0016]所述刻蚀的时间为1min～60min。
[0017]所述碳化的过程具体为：将所述中空有机金属框架材料在惰性气体气氛中以1℃/min～10℃/min的升温速率升温至700℃～1000℃处理1h～5h，冷却至室温，得到空心纳米材料。
[0018]本专利技术提供了一种空心材料，包括简单中空结构，蛋黄
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蛋壳结构和多腔室结构，采用上述技术方案所述的制备方法制备而成。
[0019]本专利技术还提供了一种用于室温钠硫电池的电极材料，包括：
[0020]硫正极材料；所述硫正极材料由硫载体和硫单质混合后在反应釜中熔融渗硫制备而成；所述硫载体为上述技术方案所述的多腔室空心材料。所用电解液为2mol/L NaTFSI/PC
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FEC(体积比1：1)，2mol/L NaClO4/PC
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FEC(体积比1：1)，2mol/L NaFSI/PC
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FEC(体积比1：1)中的任意一种，优选为2mol/L NaTFSI/PC
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FEC(体积比1：1)。
[0021]本专利技术提供了一种空心结构的材料，包括简单中空结构，蛋黄
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蛋壳结构和多腔室结构，及其制备方法和应用。本专利技术提供的制备方法工艺路线清晰、易操作，条件易控，具有广阔的应用前景。进一步制备的多腔室空心结构/硫复合电极，应用于室温钠硫电池，极大地提高了硫的利用率和反应动力学。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例1提供的制备方法得到的多腔室空心碳/硫复合物的SEM图；
[0023]图2为本专利技术实施例1提供的制备方法得到的多腔室空心碳/硫复合物的STEM能谱扫描图；
[0024]图3为本专利技术实施例1提供的制备方法得到的多腔室空心碳/硫复合物材料作为室温钠硫二次电池正极材料的循环性能图；
[0025]图4为本专利技术实施例2提供的制备方法得到的简单空心碳材料的TEM图；
[0026]图5为本专利技术实施例3提供的制备方法得到的蛋黄
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蛋壳材料的TEM图；
[0027]图6为本专利技术实施例4提供的制备方法得到的多孔空心材料的TEM图。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0029]实施例1
[0030](1)金属有机框架ZIF
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8的制备：
[0031]取6g醋酸锌溶解于100ml去离子水中，取18.22mg CTAB和22.33g二甲基咪唑溶解于100ml去离子水中，之后两溶液混合搅拌5min，静置老化3h后得到白色悬浊液，离心清洗干燥后得到白色的金属有机框架ZIF
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8固体粉末。
[0032](2)多腔室金属有机框架ZIF
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8的制备：
[0033]取0.5g金属有机框架ZIF
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8粉末分散在150ml去离子水中，取1.25g单宁酸溶解于100ml去离子水中，将两溶液混合搅拌5min，以使单宁酸对ZIF
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8进行刻蚀，离心清洗干燥后得到多腔室金属有机框架ZIF
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8固体粉末。
[0034](3)多腔室空心碳材料的制备：
[0035]将所得的多腔室金属有机框架ZIF
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8固体粉末在氩气气氛中以5℃/min的升温速率升温至900℃处理3h，冷却至室温，得到多腔室碳材料；为进一步增强多孔性，取200mg上述材料与200mg氢氧化钾混合研磨均匀，转移至氩气气氛中以5℃/min的升温速率升温至800℃处理0.5h。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空心结构材料的制备方法，包括以下步骤：a)配置金属盐和有机配体的混合液，进行反应，产物离心洗涤后烘干，得到金属有机框架材料；b)将步骤a)得到的金属有机框架材料分散到大分子酸溶液中，进行刻蚀，得到中空金属有机框架材料；c)将步骤b)得到的中空金属有机框架材料进行高温碳化，得到空心结构材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述的金属有机框架材料选自ZIF系列和MIL系列中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c)中所述空心结构材料为空心纳米材料，包括简单中空结构，蛋黄
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蛋壳结构和多腔室结构中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述大分子酸选自单宁酸、植酸和鞣花酸中的一种或多种；所述大...

【专利技术属性】
技术研发人员：余彦，李东君，程晓龙，姚雨，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：