CN103801705A

CN103801705A - 一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法

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Publication number: CN103801705A
Application number: CN201410048253.6A
Authority: CN
Inventors: 姜兴茂; 陈震; 张耕; 杨凤丽; 陆伟; 闵建中; 梁帅
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2014-02-11
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2034-02-11
Also published as: CN103801705B

Abstract

本发明一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，属于纳米材料制备技术领域。利用尿素衍生物、糖类和金属盐在一定温度下可形成均匀混合溶液的特性，经脱水碳化后原位形成多孔炭，随后经过高温热处理制备多孔炭负载的纳米金属氧化物或纳米金属材料。本发明通过改变原料配比、反应时间和热处理温度等合成条件，可以得到担载量、粒径大小、晶相和组成同时可控的担载型纳米材料。整个工艺具有操作简单、绿色环保以及成本低廉等优点，得到的多孔炭负载的纳米金属氧化物或纳米金属材料在工业催化、水处理和电化学等诸多方面具有广阔的应用前景。

Description

一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法

技术领域

本发明提供了一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

纳米材料具有明显不同于块体材料和单个分子的独特性质，例如：表面效应、体积效应、凝子尺寸效应和宏观隧道效应等，使其在电子学、光学、化工、陶瓷、生物和医药等方面都有广阔的应用前景。然而纳米粒子由于其高表面能，容易发生烧结和团聚，因此纳米材料往往需要载体，以保证其单分散性，同时降低烧结、团聚等发生的概率。多孔炭材料具有发达的孔隙结构，很大的比表面积，较多的表面化合物和很强的吸附能力，还拥有耐高温、耐酸碱、导电和传热等一系列的优点，因此是负载纳米粒子的良好载体。按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的分类，可将多孔炭中的孔道分为大孔（> 50 nm）、介孔（2-50 nm）以及微孔（< 2 nm）。多孔炭负载的纳米金属或氧化物材料在工业催化、水处理和电化学等诸多方面都具有广阔的应用前景。

在多孔炭担载纳米材料的制备方法方面，普遍采用的是直接浸渍法和共聚合法。直接浸渍法是将多孔碳材料直接浸渍于金属盐溶液中，然后经干燥和热处理得到多孔炭负载的纳米材料。Ryoo等[Joo S H, Choi S J, Oh I, et al. (2001) . Nature 412(6843): 169-172.]通过浸渍还原方法将铂纳米颗粒引入到有序介孔炭中，得到高度分散的粒径仅为3 nm的铂颗粒，使其有望在燃料电池领域有应用前景。浸渍法应用广泛，但是对于纳米粒子的粒径、组分和在载体中的分布缺乏有效的调控。共聚合法是指将金属盐和碳源灌注到多孔模板内，通过碳化和除模板从而得到多孔炭复合材料。Ding等[Ding J, Chan K Y, Ren J, et al.(2005). Electrochimica Acta 50(15): 3131-3141.]以SBA-15为模板、甲醇为碳源、Pt(NH₃)₄(NO₃)₂为金属盐，制备得到了有序介孔炭/铂复合材料，并研究了其对氧还原反应的电催化性能。然而，共聚合法的制备方法复杂繁琐，需要反复地灌注碳源和金属盐及去除模板，周期长、成本高，这无疑阻碍了该方法的规模化应用。

近年来，一些研究小组报道了采用自组装法简便地制备得到了多孔碳复合材料。Zhao等[Liu R., et al. (2007). Chemistry of Materials 20(3): 1140-1146.]以可溶性酚醛树脂为前驱体，通过有机-无机自组装获得有序介孔炭负载的TiO₂和TiC复合材料。Yao等[Yao J., et al. (2009). Carbon 47(2): 436-444.]以间苯二酚为碳源，直接制备得到了磁性可分离的有序介孔炭/Ni复合材料。Ji等[Ji Z., et al. (2009). Carbon 47(9): 2194-2199.]采用三组分共组装方法，制备了高比表面积的有序介孔碳/Ru复合材料，并研究了其对苯加氢反应的催化作用。该方法用于合成硅基材料已经很成熟，但是合成碳材料仍需进一步深入研究，而且该方法难以广泛适用于各种炭载金属/金属氧化物复合材料的制备。

总而言之，传统的多孔炭负载纳米材料的合成方法往往存在着合成路线长，模版剂成本高，后期处理污染严重等问题，因而难以实现大规模生产。碳载体的孔道结构，以及担载的金属或金属氧化物的尺寸、组分、晶相和担载量等参数很难同时得到控制。此外，传统合成方法由于制备方法的限制不能够广泛运用于各种纳米金属或氧化物的制备。因此，开发一种简单普适的多孔炭负载纳米金属或金属氧化物复合材料的制备方法，并能够在合成过程中控制碳载体的孔道结构以及纳米粒子的尺寸、组分、晶相和担载量等参数，对于该类材料的广泛应用必将产生重大的推动作用。

发明内容

本发明的目的在于开发一种简单普适的多孔炭负载纳米金属或金属氧化物复合材料的制备方法，该方法可广泛的适用于众多炭载金属及氧化物的合成。

本发明利用糖类、尿素和金属盐在一定温度下形成均匀熔融液体，使得金属盐均匀分布在混合液体中。之后，加热使得糖类碳化得到多孔炭，同时金属活性组分均匀分布在多孔炭中，随后在保护气或还原性气氛下高温热处理后，得到多孔炭负载纳米金属/金属氧化物复合材料。

本发明的具体实施步骤为：一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，按照下述步骤进行：

a）将糖类和尿素按100:1~1:10的质量比，糖类与金属盐按照100:1~1:10的质量比混合放在容器中，在100-220℃下，搅拌10-60 min，使得混合固体完全融化，形成均匀的溶液；

b）将步骤a）中得到的溶液在120-250℃温度下热处理8-48h，使得糖类脱水碳化得到黑褐色固体；该热处理过程可在常压或密闭的反应釜中进行；

c）将步骤b）中制得的黑褐色固体在保护气氛围下，于250-1100℃下热处理2-24h，得到多孔炭负载的纳米金属氧化物材料；

d）将步骤c）所得到的碳负载的纳米金属氧化物在还原性氛围下，于350-1100℃下热处理3-24 h，得到多孔炭负载的纳米金属/合金材料。

其中步骤（a）中所述的金属盐为金属硝酸盐、卤化物、次氯酸盐、醋酸盐、草酸盐、磷酸盐或硫酸盐中的一种或一种以上不同金属元素的盐；

其中步骤（a）中糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、淀粉和糊精中的一种；

其中步骤（a）中糖类与尿素的质量比为80:1~1:20；步骤（b）中糖类与金属盐的质量比为100:1~1:10；

其中步骤（c）中所述的保护气为氮气、氩气、氦气中的一种；步骤（d）中所述的还原性气体为含氢气或一氧化碳体积分数为5%~10%的混合气，平衡气为氮气或氩气。

其中所述的步骤（c）得到的多孔碳负载纳米金属氧化物，可以是单金属元素氧化物也可以是复合金属氧化物，其中单金属氧化物包括下列元素的氧化物中的一种，而复合金属氧化物则包括两种或两种以上不同金属元素的氧化物：Mg、Al、Pb、In、Sn、Sb、Zr、Nb、La、Ce、Ta、Mo、W、Re、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Y、Ba、Sr、La和Os。

其中所述的步骤（d）得到的多孔碳负载纳米金属材料，可以是一种金属元素的单质也可以是两种及以上不同金属元素的合金或金属间化合物，其中金属元素包括Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Pt、Pd、Ru、Os、Rh、Ir、Au、Ag、Pb、In、Sn、Sb、Zr、Nb、La、Ce、Ta、Mo、W和Re。

本发明利用糖类、尿素和金属盐在一定温度下形成均匀熔融液体，使得金属盐均匀分布在混合液体中。之后，利用原位合成的方法，在高温下使得糖类脱水碳化，同时金属组分均匀分布在碳载体中，最后通过高温热处理得到炭负载纳米金属/氧化物。本发明可以用于负载众多纳米金属或氧化物材料，其尺寸为15-1000 nm且单分散性高，通过调节合成条件，可以控制纳米金属或氧化物的组成、晶相以及担载量等。此外，碳载体的孔道尺寸也可以通过原料配比、反应压力以及温度、时间等条件进行控制，孔径分布从0.1 nm-10 μm。该合成方法属于无水体系，可以避免传统合成方法由于金属盐溶液水解而造成的合成困难。此外，本发明还具有合成路线简单和成本低廉等优势，因此在工业催化、水处理和电化学等诸多方面拥有巨大的应用前景。

附图说明

图1为实施例2制得的多孔炭负载SnSb合金的TEM图。

图2为实施例2制得的多孔炭负载SnSb合金的XRD图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1：多孔炭负载纳米Fe

合成原料：葡萄糖、尿素、Fe(NO₃)_3·9H₂O（硝酸铁）

（1）称取10 g葡萄糖、1 g尿素和0.1 g Fe(NO₃)_3·9H₂O于一个100 mL烧杯中，之后将烧杯放置在可加热的磁力搅拌器中。磁力搅拌器的温度升至100℃，并持续搅拌60min直至烧杯中药品形成熔融状态。

（2）将（1）中所述熔融液体中，取出一部分溶液放进120℃烘箱中记为样品A，另外一部分溶液加入高温反应釜中放进120℃烘箱中记为样品B，反应48h样品A得到黑褐色膨松固体，样品B得到黑褐色致密固体。

（3）用研钵将（2）中得到的样品A和样品B分别研碎，并分放于两个坩埚中，然后在N₂保护下550℃热处理7小时，得到多孔炭负载纳米Fe₂O₃。XRD测试显示样品A和B的Fe₂O₃粒径大小分别为28 nm和30 nm。BET测试显示，样品A的孔径分布为50 nm-10 μm，样品B的孔径分布为20-100 nm。

（4）将（3）中得到的样品A在500℃下，5%H₂/N₂条件下热处理6 h，得到多孔炭负载纳米Fe，XRD测试显示Fe粒径大小为34 nm。

实验例2：多孔炭负载纳米SnSb合金

合成原料：葡萄糖、尿素、SnCl_2·2H₂O（氯化亚锡）、SbCl₃（氯化锑）

（1）称取1 g葡萄糖、10g尿素、0.3 g SnCl_2·2H₂O和0.3 g SbCl₃于一个100 mL烧杯中，之后将烧杯放置在可加热的磁力搅拌器中。磁力搅拌器的温度升至220℃，并持续搅拌60 min直至烧杯中药品形成熔融状态。

（2）之后将烧杯放进250℃烘箱中，反应1小时，得到黑褐色膨松固体。

（3）用研钵将（2）中得到的产物研碎，并放于坩埚中。将反应得到的产物在250℃，5%H₂/N₂条件下热处理24小时，得到多孔炭负载纳米SnSb合金。

图1为多孔炭负载纳米SnSb合金的TEM图，图中可见棒状SnSb合金均匀分布在碳载体中。图2为碳负载SnSb合金的XRD图，证明本方法得到的SnSb具有较高的结晶度，计算得到该SnSb合金的平均粒径约为18 nm。

实验例3：多孔炭负载纳米Pd

合成原料：果糖、尿素、Pd(NO₃)_2·2H₂O（硝酸钯）

（1）称取100 g果糖和1 g尿素于一个100 mL烧杯中，之后将烧杯放置在可加热的磁力搅拌器中。磁力搅拌器的温度升至180℃，并持续搅拌10 min直至烧杯中药品形成熔融状态。

（2）称取0.1 g Pd(NO₃)_2·2H₂O加入（1）中所述熔融液体中，持续搅拌8 min，至溶液澄清状态。之后，将熔融液体加入水热反应釜中并放入180℃烘箱中，反应24小时，得到黑褐色固体。

（3）用研钵将（2）中得到的产物研碎，并放于坩埚中。将反应得到的产物在1100℃，5%H₂/N₂条件下热处理3小时，得到多孔炭负载纳米金属Pd粒子，XRD显示Pd粒径大小为12 nm。

实验例4：多孔炭负载纳米TiO₂

合成原料：蔗糖、尿素、TiOSO₄（硫酸氧钛）

（1）称取1 g蔗糖和10g尿素于一个100 mL烧杯中，之后将烧杯放置在可加热的磁力搅拌器中。磁力搅拌器的温度升至140℃，并持续搅拌直至烧杯中药品形成熔融状态。

（2）称取0.1 g TiOSO₄加入（1）中所述熔融液体中，持续搅拌15min，至熔融状态。之后将烧杯放进160℃烘箱中，反应40小时，得到黑褐色膨松固体。

（3）用研钵将（2）中得到的产物研碎，并放于坩埚中。将反应得到的产物在N₂保护下于250℃的条件下热处理24小时，得到多孔炭负载TiO₂纳米粒子，XRD显示TiO₂粒径大小为20 nm，晶型为锐钛矿。

实验例5：多孔炭负载纳米CuO

合成原料：乳糖、尿素、Cu(NO₃)₂·3H₂O（硝酸铜）

（1）称取1 g乳糖和10g尿素于一个100 mL烧杯中，之后将烧杯放置在可加热的磁力搅拌器中。磁力搅拌器的温度升至130℃，并持续搅拌25min直至烧杯中药品形成熔融状态。

（2）称取10 g Cu(NO₃)₂·3H₂O加入（1）中所述熔融液体中，持续搅拌20min，至熔融状态。之后将烧杯放进160℃烘箱中，反应30小时，得到黑褐色膨松固体。

（3）用研钵将（2）中得到的产物研碎，并放于坩埚中。将反应得到的产物在N₂保护下于1100℃的条件下热处理2小时，得到多孔炭负载CuO纳米粒子，XRD显示CuO粒径大小为28nm。

Claims

1.一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，其特征在于按照下述步骤进行：

2.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，其特征在于其中步骤（a）中所述的金属盐为金属硝酸盐、卤化物、次氯酸盐、醋酸盐、草酸盐、磷酸盐或硫酸盐中的一种或一种以上不同金属元素的盐。

3.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，其特征在于其中步骤（a）中糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、淀粉和糊精中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，其特征在于其中步骤（a）中糖类与尿素的质量比为80:1~1:20；步骤（b）中糖类与金属盐的质量比为100:1~1:10。

5.根据权利要求1所述的一种多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的方法，其特征在于其中步骤（c）中所述的保护气为氮气、氩气、氦气中的一种；步骤（d）中所述的还原性气体为含氢气或一氧化碳体积分数为5%~10%的混合气，平衡气为氮气或氩气。

6.根据权利要求1所述的一种多孔碳负载纳米金属氧化物或金属材料的制备方法，其特征在于其中所述的步骤（c）得到纳米金属氧化物是单金属元素氧化物或是复合金属氧化物，其中单金属氧化物为下列元素的氧化物中的一种，而复合金属氧化物则包括两种或两种以上不同金属元素的氧化物：Mg、Al、Pb、In、Sn、Sb、Zr、Nb、La、Ce、Ta、Mo、W、Re、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Pt、Pd、Ir、Ru、Rh、Y、Ba、Sr、La和Os。

7.根据权利要求1所述的一种多孔碳负载纳米金属氧化物或金属材料的制备方法，其特征在于其中所述的步骤（d）得到的纳米金属可以是一种金属元素的单质也可以是两种及以上不同金属元素的合金或金属间化合物，其中金属元素包括Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Pt、Pd、Ru、Os、Rh、Ir、Au、Ag、Pb、In、Sn、Sb、Zr、Nb、La、Ce、Ta、Mo、W或Re。