一种微波辅助制备多孔炭负载纳米金属的方法技术

本发明专利技术一种微波辅助制备多孔炭负载纳米金属的方法，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，经微波加热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材料。本发明专利技术通过改变原料配比、微波时长和功率等合成条件，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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

技术介绍
纳米材料是指由极细晶粒组成、特征维度尺寸在纳米数量级(~100nm)的固体材料。纳米材料拥有许多常规材料所不具备的性能，包括光学性能、电磁学性能、热力学性能、量子力学性能等，由于这些性能，纳米材料广泛应用于润滑、光电、磁记录、催化等领域。然而，由于其高表面能，纳米颗粒极易自发团聚，大大限制了纳米材料的纳米效应，降低了其应用领域及效果。因此纳米材料往往需要载体，多孔材料是一种由相互贯通或封闭的空洞构成网络结构的材料，多孔炭是较为理想的催化剂载体，既能阻碍所负载颗粒的团聚，提供反应溶液的输送通道，又促进了生成物质的扩散，大的比表面积有助于催化剂和反应物的接触，是现代工业中不可缺少的重要材料之一。多孔炭的制备一般是通过硬模板法和软模板法合成，被认为是合成多孔炭最成功和最有效的方法。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[JooSH,ChoiSJ,OhI,etal.(2001).Nature412(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3nm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[DingJ,ChanKY,RenJ,etal.(2005).ElectrochimicaActa50(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。微波合成法是利用高频微波能，在很短时间内产生大量的热，从而促进各类化学反应的进行，是更有效的能量利用和加热方式。微波加热合成能大幅度加快反应分子的运动与碰撞速度，有利于晶核的大量形成，可限制晶体粒径的增加，能够合成出比常规方法所制备晶体的粒径更小、更均匀的纳米材料。目前，微波合成技术已广泛应用于纳米材料的制备。。Peiro等分两步制备TiO2薄膜：第一步，将衬底浸入经微波辐射的TiO2胶体溶液中，发现衬底上有TiO晶体沉积；第二步，将上述处理的衬底浸入含Ti4+的水溶液中，并用微波辐射。实验发现，第二步制成的TiO2薄膜成长速度比第一步快，晶体结构完整，颗粒粒径分布在50~100nm之间[PeiroAnaM,ElenaVigil,eta1.Titanium(Ⅳ)oxidethinfilmsobtainedbyatwo-step-solutionmethod.ThinSolidFilms,2002，411:185]。Wang等以醋酸铜和氢氧化钠为原料，在乙醇溶剂中，通过微波辐射，成功合成平均粒径为4nm的CuO颗粒。颗粒形貌呈球形，产品的纯度高[WangHui,XuJinzhong,eta1.PreparationofCuOnanopar-ticlesbymicrowaveirradiation.JCrystGrowth,2002,244:88]。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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于开发一种简单普适的多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料的制备方法，该方法可广泛的适用于众多炭载金属氧化物或金属的合成。本专利技术利用糖类、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，利用微波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氧化物或纳米金属材料。本专利技术的具体实施步骤为：微波法制备多孔炭负载纳米金属氧化物或纳米金属材料，按照下述步骤进行：a）将糖类、尿素和金属盐混合放在容器中，在100~220℃下，搅拌5~60min，使得混合固体完全融化，形成均匀的溶液；b）将步骤a）中得到的溶液微波处理1~60min，微波加热的功率为100~1200w，使得糖类脱水碳化得到黑褐色固体；c）将步骤b）中制得的黑褐色固体在保护气氛围下，于200-1100℃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b）中制得的黑褐色固体在还原性氛围下，于200~1100℃下热处理2~24h，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，金属元素的种类有：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20:1~1:60；步骤（a）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。本专利技术利用糖类、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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波辅助制备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：a）将糖类和尿素按20:1~1:60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5~60 min，使得混合固体完全融化，形成均匀的溶液；b）将步骤a）中得到的溶液微波加热下处理0.5min~60min，微波加热的功率为100~30kw，使得糖类脱水碳化得到黑褐色固体；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b）所得到黑褐色固体在还原性氛围下，于200~1100℃下热处理2~24 h，得到多孔炭负载的纳米金属/合金材料。

【技术特征摘要】
1.一种微波辅助制备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：a）将糖类和尿素按20:1~1:60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5~60min，使得混合固体完全融化，形成均匀的溶液；b）将步骤a）中得到的溶液微波加热下处理0.5min~60min，微波加热的功率为100~30kw，使得糖类脱水碳化得到黑褐色固体；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b）所得到黑褐色固体在还原性氛围下，于200~1100℃下热处理2~24h，得到多孔炭负载的纳米金属/合金材料。2.根据权利要求1所述的一种微波辅助制备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，金属元素的种类有：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。3.根据权利要求1所述的一种微波辅助制备多孔炭负载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，甲基纤维素和糊精中的一种。4.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜兴茂，曹静远，王非，梁帅，仝雪，张忠南，冯健，王海峰，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32