【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于气凝胶领域，涉及多种金属气凝胶的制备方法及其在电催化、金属废水处理领域的应用。
技术介绍
1、金属气凝胶（metal aerogels, mas）是2009年被首次报道的（doi:10.1002/anie.200902543）、完全以金属纳米结构作为组成单元构筑的新型多孔材料。它结合了金属的特性（导电性、催化活性等）和气凝胶的结构特点（自支撑结构、多孔网络和大比表面积等），在能源催化、检测传感等领域具有很大的应用潜力。
2、相比于传统气凝胶（如氧化物、高分子气凝胶），金属体系的合成涉及原子迁移、纳米粒子融合等新过程，增加了体系复杂度与制备调控难度。此外，mas研究主要集中于价格高昂的贵金属，限制了实际应用。然而，非贵金属气凝胶的合成探索仍极不完善，文献中报道的贵金属气凝胶制备方法（如添加过氧化氢、乙醇、多巴胺等，见doi:10.1021/cm401968j，doi:10.1002/anie.200902543）对非贵金属体系常常失效。近期，有研究者报道了ni气凝胶与ni-fe双金属气凝胶的制备（doi: 10.1002/adfm.202204166），但该方法需要借助强磁场与高毒性的联氨，不宜实际生产，且不适用于非磁性金属。另一方面，扩展mas的应用领域，寻找最合适的应用场景，对mas发展是有益的。
3、综上，发展新型、普适的金属气凝胶制备方法并拓展其应用领域，对推动mas这一新材料的发展与实际应用具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术提
2、在应用方面，本专利技术一方面展示了所得mas可用作多种电催化反应的高效催化剂，如电化学水分解中的阳极析氧反应与阴极析氢反应、燃料电池中涉及的醇氧化反应与氧还原反应。另一方面，本专利技术提出，对于某些工业废水中存在的重金属离子（如cu、pb、hg、ni、co、fe、cd和bi）），可通过溶胶-凝胶方法将其中的金属离子转化为高附加值的金属水凝胶与气凝胶材料，从而变废为宝，实现金属废液的资源化利用。与此同时，也可大幅降低mas的生产成本。由此，为mas的低成本生产及其在环境领域的应用提供方法。
3、本专利技术的技术方案可分为如下两类。
4、（一）使用电解质型还原剂制备金属气凝胶，包括如下步骤：
5、（1）将金属盐、配体、还原剂分别溶解在溶剂中，得到相应的储液；
6、（2）将上述溶液按一定次序、比例混合并搅拌；
7、（3）将反应体系在一定温度下静置一段时间，形成金属凝胶；
8、（4）将凝胶用溶剂洗涤，并视情况决定是否进行溶剂交换；
9、（5）将上述凝胶进行干燥，得到金属气凝胶。
10、上述金属气凝胶组成为fe、co、ni、cu、bi、cd、pb、hg、ir中的一种、两种或更多种。此外，组成亦可为多种金属共同构筑的气凝胶，如ptco、rurh、pdir、niferh、ptpdni、auptfe、ptpdfeco、auniruir、ptpdfecocu等等。
11、上述所用金属的盐类均需要在溶剂中有较高的溶解度，如可选择相应金属的氯化物（如氯化铁、氯化铱、氯化钌等）、硫酸化合物（如硫酸铜、硫酸钴等）、硝酸化合物（如硝酸银、硝酸铋、硝酸镉、硝酸镍、硝酸汞等）、乙酸化合物（如乙酸镍、乙酸钴等）等常见化合物中的一种或多种。对于贵金属盐，可选择氯金酸、氯亚钯酸钾、氯化钯、氯铑酸铵、氯铱酸铵、氯铂酸钾、氯亚钯酸钾、氯锇酸铵等等。
12、上述所用溶剂可为水（ph范围2~10，可用常见的酸性或碱性物质调节）或极性有机溶剂（如乙醇、丙酮、乙二醇、二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等）的一种或多种，优选水；对于易水解金属盐（如铋、铅等），需要选择酸性水溶液作为溶剂，ph范围为0~6。
13、上述所用配体可为柠檬酸盐、β-丙氨酸、聚乙烯吡咯烷酮、脱氧胆酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵中的一种或多种，优选柠檬酸钠。
14、上述配体与金属的物质的量之比为0：1~500：1，具体可为0：1、10：1、50：1、100：1、250：1、500：1等。
15、上述总反应体系中金属盐的物质的量浓度为0.01~300 mm，具体可为0.01 mm、0.2mm、1 mm、5 mm、20 mm、100 mm、300 mm等。对于多金属体系，上述浓度指的是各种金属盐的总的物质的量浓度。
16、上述还原剂为硼氢化钾、硼氢化钠、水合肼、二甲基胺硼烷中的一种，优选硼氢化钠。还原剂与金属的物质的量之比为0.1：1~2：1以及15：1~2000：1，具体可为0.1：1、0.5：1、1：1、2：1、15：1、50：1、100：1、500：1、1000：1、2000：1。
17、上述金属盐、配体、还原剂溶液的加入顺序可任意改变（如金属盐→配体→还原剂、金属盐→还原剂→配体、还原剂→配体→金属盐等），两种物料加入时间间隔可为5 s~60 min，具体可为5 s、10 s、30 s、60 s、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min等。
18、上述方法中，反应温度可为5~70℃，具体可为5℃、10℃、25℃、50℃、70℃，所述静置的时间可5 min~2周，具体可为1 min、1 h、4 h、8 h、12 h、24 h、72 h、1周、2周。
19、上述洗涤过程，使用水或相应溶剂洗涤1~6次。
20、上述溶剂交换过程（如涉及），交换2~6次。例如，冷冻干燥需交换为水或叔丁醇，超临界流体干燥需交换为乙醇或丙酮，常压干燥一般交换为乙醇、丙酮、正己烷、环己烷等低表面张力溶剂。
21、上述干燥过程，可为常压干燥、冷冻干燥、超临界干燥中的一种，优选冷冻干燥。对于冷冻干燥，将首先通过液氮、冰箱、冰浴等手段进行（温度-196~0℃），冷冻时间为1 min~48 h，在1~10 pa，冷阱温度-80~-20℃下干燥1~72 h。对于常压干燥，可在5~50℃下自然干燥1~48 h。对于超临界干燥条件，可参照专利202011174793.0与202110356888.2。
22、（二）采用盐作为引发剂制备金属气凝胶，包括如下步骤：
23、（1）将金属盐、配体、还原剂分别溶解在溶剂中，得到相应的储液；
24、（2）将上述溶液按一定次序、一定比例混合并搅拌；
25、（3）将特定含量的盐溶液注入上述溶液；
26、（4）将反应体系在一定温度下静置一段时间，形成金属凝胶；
27、（5）将金属凝胶用溶剂洗涤，并视情况进行溶剂交换；
28、（6）将上述凝胶进本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.多种金属气凝胶及其制备方法，其特征在于：所述制备流程涉及金属盐、还原剂、盐溶液、溶剂和配体；
2.根据权利要求1所述的金属气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
3.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶的制备方法，其特征在于：
4.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述使用电解质型还原剂法体系中还原剂与金属的物质的量之比为0.1：1~2：1以及15：1~2000：1；所述采用盐作为引发剂制备法体系中还原剂与金属的物质的量之比均为4：1~10：1。
6.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶的制备方法，其特征在于：所述配体与金属的物质的量之比为0：1~500：1；所述特定含量的盐溶液为引发剂，其物质的量浓度为0.12 M~10M；所述反应温度可为5~70℃；所述静置的时间可1 min~2周；所述洗涤过程，使用水或相应溶剂洗涤，洗涤次数1~6次；所述溶剂交换过程，如冷冻干燥（水、叔丁醇）、超临界流体干燥（乙醇、丙酮）、常压干燥（水、乙醇、丙酮
7.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述干燥过程为常压干燥、冷冻干燥、超临界干燥中的一种；所述冷冻干燥过程中，冷冻时间为1 min~48 h，具体干燥条件为1~10 Pa，冷阱温度-80~-20℃下干燥2~72 h；所述常压干燥过程，具体条件为5~50℃下自然干燥2~48 h。
8.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶材料的制备方法可用于制备单组分与多组分金属气凝胶（元素包含多种金属及其组合（如Fe、Co、Ni、Cu、Bi、Hg、Cd、Pb、Ru、Rh、Pt、Pd、Au、Ag、Os、Ir等）。
9.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶材料的制备方法可用于金属废水处理（Cu、Pb、Hg、Ni、Co、Fe、Cd和Bi），可直接将废水作为金属源并将之转化为高附加值的金属凝胶与气凝胶产品。
10.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶材料的制备方法可用于多种电催化反应催化剂（析氢反应电催化剂、析氧反应电催化剂、醇氧化电催化剂、氧还原反应电催化剂）。
...【技术特征摘要】
1.多种金属气凝胶及其制备方法，其特征在于：所述制备流程涉及金属盐、还原剂、盐溶液、溶剂和配体；
2.根据权利要求1所述的金属气凝胶的制备方法，包括如下步骤：
3.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶的制备方法，其特征在于：
4.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述使用电解质型还原剂法体系中还原剂与金属的物质的量之比为0.1：1~2：1以及15：1~2000：1；所述采用盐作为引发剂制备法体系中还原剂与金属的物质的量之比均为4：1~10：1。
6.根据权利要求1-2所述的金属气凝胶的制备方法，其特征在于：所述配体与金属的物质的量之比为0：1~500：1；所述特定含量的盐溶液为引发剂，其物质的量浓度为0.12 m~10m；所述反应温度可为5~70℃；所述静置的时间可1 min~2周；所述洗涤过程，使用水或相应溶剂洗涤，洗涤次数1~6次；所述溶剂交换过程，如冷冻干燥（水、叔丁醇）、超临界流体干燥（乙醇、丙酮）、常压干燥...
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