CN114259959A - 一种二维纳米材料的低温沉积制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二维纳米材料的低温沉积制备方法。本发明的二维纳米材料制备方法包括：在标准大气压或低于标准大气压的条件下，将二维纳米材料的前驱体溶于冰水混合溶液中，通过电场、磁场或超声振动的方式驱动原子低温扩散、形核、长大，得到所述二维纳米材料。与常规液相温度相比，本发明所涉及的冰水混合独特低温环境可以合成尺寸更薄、更细的二维纳米结构，将获得大量表面台阶原子，充分发挥纳米结构的表面效应以及量子尺寸效应优势，显著提高二维纳米材料的光学、催化等性能。

Description

一种二维纳米材料的低温沉积制备方法
技术领域
本发明涉及新能源电池、光催化等领域的一种二维纳米材料制备方法，所述低温电沉积可控合成思路能够显著改善二维纳米材料的催化、光学、电学等性能。
背景技术
二维纳米材料优异的电学、磁学、光学、催化等性能使其在电子器件、新能源电池等领域获得了广泛应用。目前机械剥离、化学剥离、化学气相沉积等工艺是可控合成二维纳米材料的常见方法，其中，化学气相沉积被认为是最具潜力实现低成本、大规模可控合成二维纳米材料的工艺方法。但是，化学气相沉积生长二维纳米材料通常在合适生长基体、500℃以上高温环境进行，不适合在电子器件等低熔点基体上高温生长二维纳米材料。而且，传统二维催化剂高温合成-低温使用时易引起催化剂微观形态、亚结构、官能团等变化，导致催化活性降低程度无法定量评估，不利于二维纳米催化剂在深海、南北极等极端地区所用低温燃料电池和低温锂电池中表现良好的催化性能。
二维纳米材料的低温可控合成正引起广泛关注。Zhou等人利用100℃低温液体生长基体可控合成了二维硫系纳米晶体。但是，在室温以下低温合成二维纳米材料仍然面临严峻挑战，尤其是纳米催化剂高温合成-低温使用引起的催化剂亚结构变化、催化活性降低问题仍亟待解决。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提出一种“低温合成-低温使用”的低温沉积制备方法，在低温冰水混合环境，通过电场、磁场、超声振动场等驱动方式制备超薄、超细二维纳米材料，显著提高二维纳米结构的低温催化等性能。冰水混合相是一类特殊液相反应环境，是二维纳米材料低温可控合成全新研究领域。水结冰反常“热缩冷胀”现象使冰的密度小于水，水中悬浮的多晶型纳米冰是多种异质形态纳米结构可控生长的异质核心，适合在低熔点电子器件上低温生长二维纳米材料。与常规液相温度相比，冰水混合独特低温环境可以合成尺寸更薄二维纳米催化剂，将获得大量表面台阶原子，显著增加催化活性中心数量，为解决燃料电池、锂电池等新能源领域低温催化难题提供新途径。
本发明技术方案具体如下：
一方面，本发明提供了一种二维纳米材料的低温沉积制备方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：在标准大气压或低于标准大气压的条件下，将二维纳米材料的前驱体溶于冰水混合溶液中，通过电场、磁场、超声振动中的一种或多种的复合驱动原子低温扩散、形核、长大，得到所述二维纳米材料；所述二维纳米材料为二维纳米金属材料、二维纳米非金属材料或二维纳米金属/非金属复合材料。冰水混合低温环境中纳米粒子的随机碰撞、扩散倾向小，便于利用电场、磁场、超声振动场等外部设备，精准驱动纳米粒子组装成为二维纳米结构。
基于上述方案，优选地，标准大气压条件下冰水混合相的温度是0℃，降低环境压力甚至可以使冰水混合相最低温度达到-20℃，便于合成超薄、超细高催化活性纳米催化剂。
基于上述方案，优选地，所述二维纳米材料的前驱体在冰水混合溶液中的浓度为0.01～2.00mol/L。
基于上述方案，优选地，所述二维纳米材料的制备是通过电场驱动，具体包括以下步骤：采用直流电源进行低温电沉积实验，直流电源正极接铜板，负极接钛箔，放入二维纳米材料的前驱体溶液，在恒定电压下进行电沉积反应，电压范围为5～25V，反应40～60分钟后，在负极侧获得二维纳米材料。
基于上述方案，优选地，所述二维纳米材料的制备是通过旋转磁场和电场共同驱动，具体包括以下步骤：将直流电源正极接镍板，负极接钛箔，放入二维纳米材料的前驱体溶液，并置于旋转磁场下，进行沉积反应，旋转磁场频率为20～50kHz，电压范围为5～20V，反应10～60钟后，获得二维纳米材料。
基于上述方案，优选地，所述二维纳米材料的制备是通过超声振动驱动，具体包括以下步骤：将二维纳米材料的前驱体溶液加入超声振动器中，在恒定频率下进行沉积反应，超声振动频率为10～30kHz，反应10～60分钟后，获得二维纳米材料。
基于上述方案，优选地，所述二维纳米金属材料为二维纳米铜、镍、铁、镓、铟以及二维纳米镍铁合金或二维纳米镍钴合金。
基于上述方案，优选地，所述二维纳米非金属材料为二维纳米碳或金属氧化物材料。
基于上述方案，优选地，所述二维纳米金属/非金属复合材料为铜/碳二维复合材料或镍/碳二维复合材料。
另一方面，本发明提供了上述方法所述制备的二维纳米材料在电催化领域中的应用。
有益效果
冰水混合相是一类0℃附近的特殊液相反应环境，水结冰反常“热缩冷胀”现象使冰的密度小于水，水中悬浮多晶型纳米冰是多种异质形态纳米结构可控生长的异质核心。与常规液相温度相比，冰水混合独特低温环境可以合成尺寸更薄、更细的二维纳米结构，将获得大量表面台阶原子，充分发挥纳米结构的表面效应以及量子尺寸效应优势，显著提高二维纳米材料的低温催化等性能。
附图说明
图1为对比例1高温电沉积枝晶状纳米铜的扫描电镜图；
图2为对比例1高温电沉积枝晶状纳米铜的低温循环伏安曲线；
图3为实施例1低温电沉积二维纳米铜的扫描电镜图；
图4为实施例1低温电沉积二维纳米铜的低温循环伏安曲线；
图5为实施例2低温磁场沉积二维镍铁纳米复合材料的扫描电镜图；
图6为实施例2低温磁场沉积二维镍铁纳米复合材料的低温LSV曲线；
图7为实施例3低温超声振动沉积二维铜/碳纳米复合材料的扫描电镜图；
图8为实施例3低温超声振动沉积二维铜/碳纳米复合材料的低温循环伏安曲线。
具体实施方式
对比例1
(1)采用直流电源进行高温电沉积实验，并利用热电偶测量反应温度。反应在一个标准大气压力下进行，反应温度为150℃；利用去离子水配制0.1mol/L的CuCl2溶液，将直流电源正极接铜板，负极接钛箔，放入配比好的CuCl2溶液中。
(2)实验在恒定电压下进行，电压设置为30V。
(3)为了使电场在溶液中均匀分布，保证铜离子定向移动到负极钛箔，正极铜板要正对负极钛箔，同时正极板的面积要大于负极并保持固定。
(4)电沉积反应30分钟以后，在负极钛箔一侧获得枝晶状铜纳米材料。
由图1可以看出，在高温液相反应环境中不利于获得二维铜纳米结构，而是尺寸较大的枝晶状铜纳米结构；
由图2可以看出，高温电沉积获得的枝晶状纳米铜结构没有明显的氧化-还原峰，低温催化性能相对较差。
实施例1
(1)采用直流电源进行低温电沉积实验，并利用热电偶测量反应温度。反应在一个标准大气压力下进行，反应温度为0℃；利用冰水混合物状态的去离子水配制0.1mol/L的CuCl2溶液，将直流电源正极接铜板，负极接钛箔，放入配比好的CuCl2溶液中。
(2)实验在恒定电压下进行，电压设置为5V。
(3)为了使电场在溶液中均匀分布，保证铜离子定向移动到负极钛箔，正极铜板要正对负极钛箔，同时正极板的面积要大于负极并保持固定。
(4)电沉积反应40分钟以后，在负极钛箔一侧获得二维纳米铜材料。
由图3可以看出，通过低温电沉积反应有利于获得二维纳米铜材料。
由图4可以看出，低温电沉积获得的二维纳米铜材料具有明显的氧化-还原峰，表现出良好的低温催化性能。
实施例2
(1)采用10kW旋转磁场进行低温沉积实验，并利用热电偶测量反应温度。反应在0.5个标准大气压力下进行，反应温度为-10℃；利用冰水混合状态的去离子水配比0.1mol/L的CoCl2溶液，将10V直流电源正极接镍板，负极接钛箔，放入配比好的CoCl2溶液中。
(2)实验在恒定频率下进行，旋转磁场频率为30kHz。
(3)低温沉积反应15分钟以后，在CoCl2溶液中获得二维镍铁纳米复合材料。
由图5可以看出，通过低温磁场沉积反应有利于获得二维镍铁纳米结构。
由图6可以看出，低温磁场沉积获得的二维镍铁纳米结构具有明显的氧化-还原峰，表现出良好的低温催化性能。
实施例3
(1)采用20kW超声振动器进行低温沉积实验，并利用热电偶测量反应温度。反应在一个标准大气压力下进行，反应温度为0℃；利用冰水混合物状态的去离子水配比0.1mol/L的CuCl2溶液，并向CuCl2溶液中加入石墨，石墨在溶液中的浓度为0.05mol/L，超声振动功率为1kW，促进石墨在溶液中的分散。
(2)实验在恒定频率下进行，超声振动频率为20kHz。
(3)低温沉积反应15分钟以后，在CuCl2溶液中获得二维铜/碳纳米复合材料。
由图7可以看出，通过低温超声振动沉积反应有利于获得二维铜/碳纳米复合材料。
由图8可以看出，低温超声振动沉积获得的二维铜/碳纳米结构具有明显的氧化-还原峰，表现出良好的低温催化性能。

Claims (10)

1.一种二维纳米材料的低温沉积制备方法，其特征是：所述方法包括以下步骤：在标准大气压或低于标准大气压的条件下，将二维纳米材料的前驱体溶于冰水混合溶液中，通过电场、磁场、超声振动中的一种或多种的复合驱动原子低温扩散、形核、长大，得到所述二维纳米材料；
所述二维纳米材料为二维纳米金属材料、二维纳米非金属材料或二维纳米金属/非金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：当环境压力低于标准大气压时，所用的冰水混合相的最低温度为-20℃；所述二维纳米材料的前驱体在冰水混合溶液中的浓度为0.01～2.00mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述二维纳米材料的制备是通过电场驱动，具体包括以下步骤：
采用直流电源进行低温电沉积实验，直流电源正极接铜板，负极接钛箔，放入二维纳米材料的前驱体溶液，在恒定电压下进行电沉积反应，电压范围为5～25V，反应40～60分钟后，在负极侧获得二维纳米材料。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述二维纳米材料的制备是通过旋转磁场和电场共同驱动，具体包括以下步骤：
将直流电源正极接镍板，负极接钛箔，放入二维纳米材料的前驱体溶液，并置于旋转磁场下，进行沉积反应，旋转磁场频率为20～50kHz，电压范围为5～20V，反应10～60分钟后，获得二维纳米材料。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述二维纳米材料的制备是通过超声振动驱动，具体包括以下步骤：
将二维纳米材料的前驱体溶液加入超声振动器中，在恒定频率下进行沉积反应，超声振动频率为10～30kHz，反应10～60分钟后，获得二维纳米材料。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述二维纳米金属材料为二维纳米铜、镍、铁、镓、铟以及二维纳米镍铁合金或二维纳米镍钴合金。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述二维纳米非金属材料为二维纳米碳或金属氧化物。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述二维纳米金属/非金属复合材料为铜/碳二维复合材料或镍/碳二维复合材料。
9.一种二维纳米材料，其特征是：所述二维纳米材料通过权利要求1-8任一所述的方法制备。
10.一种权利要求9所述的二维纳米材料在电催化领域中的应用。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114843531A (zh) * 2022-04-13 2022-08-02 大连交通大学 一种纳米台阶状金属催化剂的低温热处理制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106629826A (zh) * 2016-05-20 2017-05-10 北京纳米能源与系统研究所 一种二维结构钛酸钡纳米材料及其制备方法
CN110104650A (zh) * 2019-04-29 2019-08-09 天津理工大学 一种表面官能团和过渡金属价态可调的超薄MXenes二维材料及其制备方法
CN111910171A (zh) * 2020-05-26 2020-11-10 厦门大学 一种电场和/或磁场调控合成二维材料的装置和方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106629826A (zh) * 2016-05-20 2017-05-10 北京纳米能源与系统研究所 一种二维结构钛酸钡纳米材料及其制备方法
CN110104650A (zh) * 2019-04-29 2019-08-09 天津理工大学 一种表面官能团和过渡金属价态可调的超薄MXenes二维材料及其制备方法
CN111910171A (zh) * 2020-05-26 2020-11-10 厦门大学 一种电场和/或磁场调控合成二维材料的装置和方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LI ZE-GUANG等: "Low temperature growth of two-dimensional (2D) Cu/Cu2O nanosheets under ice/water mixing environment", CERAMICS INTERNATIONAL *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114843531A (zh) * 2022-04-13 2022-08-02 大连交通大学 一种纳米台阶状金属催化剂的低温热处理制备方法
CN114843531B (zh) * 2022-04-13 2023-09-01 大连交通大学 一种纳米台阶状金属催化剂的低温热处理制备方法

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