CN107487790A - 一种多元纳米笼复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属有机骨架材料的技术领域,涉及以沸石咪唑酯骨架为模板制备多元纳米笼复合材料的方法。以甲醇为溶剂,利用溶剂热法合成ZIF‑67骨架,以硝酸镍和硝酸锌为原料,通过调节硝酸锌和硝酸镍的质量比在骨架上合成氢氧化物前驱体。经过离心、洗涤、干燥、煅烧后得到纳米笼复合材料。该方法工艺简单,价格低廉,易于控制,成本低,所制产物为非球形中空结构的纳米笼复合材料,比表面积大,结晶度高,形貌较好,易于实现工业化。
Description
技术领域
本发明属于金属有机骨架材料的技术领域,涉及以沸石咪唑酯骨架为模板制备多元纳米笼复合材料的方法,特指以ZIF-67为模板来制备三元非球形复合材料。
背景技术
金属有机骨架(MOFs),将金属离子或无机金属族群与有机基团协调联系形成的多孔性纳米材料,较大的比表面积、较小的密度、较高的孔隙率及通用的功能使其成为一种新电极材料。MOFs不仅可以直接用作电容器电极材料,而且能用作制备金属氧化物、复合金属氧化物、金属纳米粒子以及多孔碳化合物的模板,这扩展了MOF材料的应用领域。MOF可以有效控制金属氧化物的纳米构筑和表面形貌使其潜力得以更好发挥,MOF派生氧化物发展很迅速。沸石咪唑酯骨架(ZIF),作为MOF的一类,不仅展示出优异的热稳定性和化学稳定性,而且能够将其用作一种制备空心结构的理想模板。
MOFs在气体储存,催化,传感和药物输送方面具有很大的潜力。近年来,人们已经对MOFs的尺寸和形状控制合成进行了大量的努力,并且可以选择具有各种物种和结构的纳米和微尺度MOF作为模板,这扩大了模板的选择。但是迄今为止,尽管MOF模板策略已经取得了持续的进步,但由于MOF前体的形态有限,生产具有高度对称几何结构的各向异性空心结构仍然相对较少,并且缺乏形态多样性阻碍了MOF及其衍生物更广泛地使用。因此,开发一种制造各向异性非球形中空结构的简单可靠的方法是非常需要的,并且仍然是具有挑战性的。
Jiang Z.等报道了使用ZIF-67纳米晶体作为模板来合成LDH中空多面体,作为超级电容器的电极材料,具有复杂结构的LDH在性能方面上有所改进。该工作证实了使用沸石咪唑骨架材料作为模板获得具有非球形中空结构的功能性纳米材料是可行和有前途的。典型的过渡金属氧化物如氧化钴,氧化镍和氧化锌具有高的赝电容性能。
使用沸石咪唑ZIF-67纳米晶体作为模板获得具有非球形中空结构的功能性纳米笼复合材料,合成的复合材料具有不同壳组成的纳米笼的特点。特别是与单金属相比,多种过渡金属或各种金属氧化物杂化材料常常提供更好的容量和循环稳定性,这对能量装置是有益的
发明内容
本发明的目的是采用沸石咪唑ZIF-67纳米晶体作为模板,通过改变硝酸锌和硝酸镍的质量比来合成性能最优异的多元纳米笼复合材料。工艺简单,原料易于得到,成本低廉,污染较少,适于工业化生产。
本发明的技术方案如下:
一种多元纳米笼复合材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)ZIF-67纳米晶体的合成:
室温下称取硝酸钴和2-甲基咪唑,分别溶解在等体积的甲醇中搅拌形成溶液,然后将2-甲基咪唑甲醇溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴甲醇溶液中,充分搅拌后将混合溶液在室温下老化12~36h,经离心收集得到紫色沉淀物,干燥,得到ZIF-67纳米晶体;
(2)多元纳米笼复合材料的合成:
将步骤(1)制备的ZIF-67纳米晶体分散在硝酸盐M(NO3)2的乙醇溶液中,持续搅拌后,形成ZIF-67/M-Co氢氧化物纳米笼颗粒;离心收集,干燥,然后在300~350℃的空气中以2℃/min的速率将所得纳米笼粒子退火2~3h,得到MCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
步骤(1)中,所述硝酸钴、2-甲基咪唑和甲醇总量的用量比例为1mmol:4~16mmol:50-90mL。
步骤(1)中,所述硝酸钴、2-甲基咪唑和甲醇总量的用量比例为1mmol:4mmol:50mL。
步骤(1)中,所述老化时间为24h,所述干燥温度为60℃,干燥时间为12h。
步骤(2)中,所述硝酸盐为硝酸锌、硝酸镍或硝酸锌和硝酸镍的混合物;
当硝酸盐为硝酸锌时,产物为ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼;
当硝酸盐为硝酸镍时,产物为NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼;
当硝酸盐为硝酸锌和硝酸镍的混合物时,产物为NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
步骤(2)中,所述ZIF-67纳米晶体、硝酸盐、乙醇的用量比例为40mg:20~80mg:15~35mL;
其中,当硝酸盐为硝酸锌和硝酸镍的混合物时,硝酸锌和硝酸镍的质量比为1:1。
步骤(2)中,所述ZIF-67纳米晶体、硝酸盐、乙醇的用量比例为40mg:80mg:25mL。
步骤(2)中,持续搅拌的时间为1h;干燥温度为60℃,干燥时间为12h。
将本发明制备的的一种多元纳米笼复合材料用作电极材料的用途。
有益效果
本发明以溶剂热法合成沸石咪唑ZIF-67纳米晶体,并以其作为模板,通过调节硝酸锌和硝酸镍的质量比合成中空结构的纳米笼复合材料。其操作条件易于控制,设备简单,制备成本低,所制产物颗粒分布均匀,粒径分散性良好,分体团聚程度较小,形貌较好,易于实现工业化。
附图说明
图1实施例1制得的非球形中空结构的NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4纳米笼复合材料的电子显微扫描电镜图(SEM)。
图2制得的非球形中空结构的纳米笼复合材料的X射线衍射图谱(XRD),其中a为实施例1制得的NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼,b为实施例1制得的ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼,c为实施例1制得的NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
具体实施方式
下面结合具体实施实例对本发明做进一步说明,以使本领域技术人员更好地理解本发明,但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
称取0.2910g(1.0mmol)硝酸钴和0.3284g(4.0mmol)2-甲基咪唑分别溶解在25mL甲醇中形成两种溶液。然后,将2-甲基咪唑溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴溶液中,搅拌5分钟后,所得混合溶液在室温下老化24小时。离心收集紫色沉淀物并在60℃下干燥12小时得到产物ZIF-67纳米晶体。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸镍的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有40mg硝酸镍和40mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得到NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
实施例2
称取0.2910g(1.0mmol)硝酸钴和0.3284g(4.0mmol)2-甲基咪唑分别溶解在25mL甲醇中形成两种溶液。然后,将2-甲基咪唑溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴溶液中,搅拌5分钟后,所得混合溶液在室温下老化24小时。离心收集紫色沉淀物并在60℃下干燥12小时得到产物ZIF-67纳米晶体。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在300℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸镍的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在300℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有40mg硝酸镍和40mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在300℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得到NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
实施例3
称取0.2910g(1.0mmol)硝酸钴和0.3284g(4.0mmol)2-甲基咪唑分别溶解在25mL甲醇中形成两种溶液。然后,将2-甲基咪唑溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴溶液中,搅拌5分钟后,所得混合溶液在室温下老化24小时。离心收集紫色沉淀物并在60℃下干燥12小时得到产物ZIF-67纳米晶体。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸镍的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有40mg硝酸镍和40mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得到NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
实施例4
称取0.2910g(1.0mmol)硝酸钴和0.3284g(4.0mmol)2-甲基咪唑分别溶解在25mL甲醇中形成两种溶液。然后,将2-甲基咪唑溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴溶液中,搅拌5分钟后,所得混合溶液在室温下老化24小时。离心收集紫色沉淀物并在60℃下干燥12小时得到产物ZIF-67纳米晶体。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸镍的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有20mg硝酸镍和60mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得到NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
实施例5
称取0.2910g(1.0mmol)硝酸钴和0.3284g(4.0mmol)2-甲基咪唑分别溶解在25mL甲醇中形成两种溶液。然后,将2-甲基咪唑溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴溶液中,搅拌5分钟后,所得混合溶液在室温下老化24小时。离心收集紫色沉淀物并在60℃下干燥12小时得到产物ZIF-67纳米晶体。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸镍的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有20mg硝酸镍和60mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得到NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
实施例6
称取0.2910g(1.0mmol)硝酸钴和0.3284g(4.0mmol)2-甲基咪唑分别溶解在25mL甲醇中形成两种溶液。然后,将2-甲基咪唑溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴溶液中,搅拌5分钟后,所得混合溶液在室温下老化24小时。离心收集紫色沉淀物并在60℃下干燥12小时得到产物ZIF-67纳米晶体。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸镍的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有60mg硝酸镍和20mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火2小时,得到NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
实施例7
称取0.2910g(1.0mmol)硝酸钴和0.3284g(4.0mmol)2-甲基咪唑分别溶解在25mL甲醇中形成两种溶液。然后,将2-甲基咪唑溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴溶液中,搅拌5分钟后,所得混合溶液在室温下老化24小时。离心收集紫色沉淀物并在60℃下干燥12小时得到产物ZIF-67纳米晶体。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有80mg硝酸镍的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
将40mg ZIF-67分散在25mL含有60mg硝酸镍和20mg硝酸锌的乙醇中。搅拌1h后,形成ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼颗粒,离心并收集,最后在60℃下干燥12小时。然后,在350℃的空气中以2℃min-1的速率将ZIF-67/Ni-Zn-Co氢氧化物纳米笼粒子退火3小时,得到NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
从图1可以看出合成的复合金属氧化物仍然保持着ZIF-67的空心多面体结构,表面变得粗糙,使得其有较多的活性位点,可以更好地与电解液接触,从多面体外壳的破碎处能够观察到纳米笼内壳的中空结构。而且纳米笼晶体尺寸差别不大,有利于电化学性能的发挥。
从图2XRD与标准卡片对比,没有检测到其它杂质的信号,表明产品的纯度高。
Claims (10)
1.一种多元纳米笼复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)ZIF-67纳米晶体的合成:
室温下称取硝酸钴和2-甲基咪唑,分别溶解在等体积的甲醇中搅拌形成溶液,然后将2-甲基咪唑甲醇溶液在搅拌下迅速倒入硝酸钴甲醇溶液中,充分搅拌后将混合溶液在室温下老化12~36h,经离心收集得到紫色沉淀物,干燥,得到ZIF-67纳米晶体;
(2)多元纳米笼复合材料的合成:
将步骤(1)制备的ZIF-67纳米晶体分散在硝酸盐M(NO3)2的乙醇溶液中,持续搅拌后,形成ZIF-67/M-Co氢氧化物纳米笼颗粒;离心收集,干燥,然后在300~350℃的空气中以2℃/min的速率将所得纳米笼粒子退火2~3h,得到MCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
2.根据权利要求1所述的一种多元纳米笼复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述硝酸钴、2-甲基咪唑和甲醇总量的用量比例为1mmol:4~16mmol:50-90mL。
3.根据权利要求2所述的一种多元纳米笼复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述硝酸钴、2-甲基咪唑和甲醇总量的用量比例为1mmol:4mmol:50mL。
4.根据权利要求1所述的一种多元纳米笼复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述老化时间为24h,所述干燥温度为60℃,干燥时间为12h。
5.根据权利要求1所述的一种多元纳米笼复合材料的制备方法,其特征在于,
步骤(2)中,所述硝酸盐为硝酸锌、硝酸镍或硝酸锌和硝酸镍的混合物;
当硝酸盐为硝酸锌时,产物为ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼;
当硝酸盐为硝酸镍时,产物为NiCo2O4@Co3O4空心纳米笼;
当硝酸盐为硝酸锌和硝酸镍的混合物时,产物为NiCo2O4@ZnCo2O4@Co3O4空心纳米笼。
6.根据权利要求1或5所述的一种多元纳米笼复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述ZIF-67纳米晶体、硝酸盐、乙醇的用量比例为40mg:20~80mg:15~35mL;
其中,当硝酸盐为硝酸锌和硝酸镍的混合物时,硝酸锌和硝酸镍的质量比为1:1。
7.根据权利要求6所述的一种多元纳米笼复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述ZIF-67纳米晶体、硝酸盐、乙醇的用量比例为40mg:80mg:25mL。
8.根据权利要求1所述的一种多元纳米笼复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,持续搅拌的时间为1h;干燥温度为60℃,干燥时间为12h。
9.一种多元纳米笼复合材料,其特征在于,是通过权利要求1~8所述制备方法值得的。
10.将权利要求9所述的一种多元纳米笼复合材料用作电极材料的用途。
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