一种非晶碳复合金属氧化物Yolk-Shell材料及其制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及能源材料技术领域，具体涉及一种非晶碳复合金属氧化物Yolk

【技术实现步骤摘要】
一种非晶碳复合金属氧化物Yolk
‑
Shell材料及其制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于能源材料
，具体涉及一种非晶碳复合金属氧化物Yolk
‑
Shell材料及其制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]太阳能作为一种可永久利用的清洁能源，具有巨大的开发潜力，但由于存在能量密度低、不稳定的因素，需要设计出更为有效的光转换材料，实现太阳能的高效获取与利用。太阳光驱动的光热界面水蒸发系统是近几年来新兴的一种高效便捷的净水技术，它仅利用太阳光对特定三维多级结构的光热材料加热至接近于水的沸点温度，再将水源引导到材料表面，通过表面蒸发和回收冷凝水达到净化杀菌的效果。它相比与传统体相加热水具有独特的优势，主要体现在，表面加热系统降低了受热体积，增强传热效率，降低热量损失。其二，生产单位体积蒸汽量所消耗的能量显著降低。
[0003]太阳光驱动的光热界面蒸水系统具有水源质量要求低，高效的光热转化效率，蒸水速率快，杀菌净水效果显著同时器件携带便捷等特点，可以用于海水淡化，污水转换成饮用水，含菌废水的净化，也可用于极端恶劣环境中快速自制饮用水。
[0004]纳米Yolk
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shell结构具有比表面积大、密度轻、特殊内部空腔结构以及由低维纳米颗粒或者纳米棒构成的可调节壳壁等特点，同时内核的尺寸和成分具有较大的可调节性，因而在很多领域都实现了广泛使用，比如药物缓释、催化、传感器、水污染治理、纳米反应器以及储能系统等。其中，应用于光热水蒸发领域，碳复合金属氧化物Yolk
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shell结构使入射光可以在球中多次散射，有效的延长了光路，增强了整个材料对光的捕获，有利于全光谱高效吸收太阳光，提高了光热转换效率。此外，碳复合后的金属氧化物Yolk
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shell结构提供较多有效比表面积，有利于水在中空结构表面的快速输运和蒸发，进一步增强了其作为三维微型蒸发器的反应活性。
[0005]目前，纳米中空结构的制备方法主要有软模板法和硬模板法两种。软模板法是指在溶液中，利用胶束或乳液液滴作为模板，在两相界面发生化学反应，最后分离干燥，制备得到中空微球。目前报道的软模板法仅适用于特定化合物Yolk
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shell结构的制备，且合成的产品形态均匀性较差，需要使用大量的有机溶剂制备反相胶束或反相微乳液，不适合大规模生产，难以具有普适性。硬模板法是指用单分散的无机物、高分子聚合物或树脂微纳米粒子作为模板，在其表面沉积各种化学材料，再通过煅烧或溶剂萃取取出模板，形成均一的中空材料。
[0006]CN102464304A公开了一种多壳层金属氧化物空心球及其制备方法，利用水热法制备碳球模板；将金属盐溶于碳球悬浮液中，通过调变金属盐浓度，溶液pH值、浸泡温度与时间等吸附条件，控制金属盐进入碳球的数量、深度和梯度分布；对吸附了金属离子的碳球进行热处理，即可获得多壳层金属氧化物空心球。采用该方法制备的空心球，其壳层由金属氧化物的纳米晶粒堆积而成，壳层数可在二到四层之间调变，空心球的尺寸及壳层厚度均可
控。
[0007]CN103247777A公开了一种应用于锂离子电池的四氧化三钴多壳层空心球负极材料及其制备方法。利用水热法制备的碳球作为模板，通过控制钴盐溶液中水与乙醇的比例，溶液的温度，以及碳球的吸附能力，从而控制碳球中钴离子的数量及其进入深度，制备出了单、双、三及四壳层四氧化三钴空心球。但该方法制备的多壳层空心球用于制作锂离子电池的负极材料，在光热领域的应用仍存在局限。
[0008]上述制备方法得到的均为金属氧化物晶体。此外，对于碳复合非晶金属氧化物Yolk
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shell结构用于光热的研究尚无实例，对于半导体的光热研究也仅限于氧化铜、硫化铜等窄带隙半导体纳米粒子、纳米线阵列。利用yolk
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shell结构在纳米空间尺度纵深上的优势，可控合成具有不同碳复合含量的非晶金属氧化物yolk
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shell结构，进而通过调控非晶内部缺陷态含量提高金属氧化物光热性能的研究依然缺乏。

技术实现思路

[0009]基于上述不足，本专利技术提供了一种碳复合非晶金属氧化物Yolk
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shell结构材料的制备方法和应用，通过两步增强吸附，使吸附后的碳球模板中的金属离子有明显的浓度梯度，从而在焙烧后得到能高效吸收太阳光能的碳复合非晶金属氧化物Yolk
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shell结构材料。
[0010]为达到上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：
[0011]本申请的非晶碳复合金属氧化物Yolk
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Shell材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]1)将碳源水溶液进行高温高压的水热反应，进行碳源脱水缩聚，使其交联生长成微米级碳球；在反应釜降温后，经过滤、洗涤和干燥后得到表面带负电的碳球模板；
[0013]2)将步骤1)得到的碳球模板分散于金属盐溶液中，在加热条件下，经不同种类电荷的物理吸附、干燥后得到了吸附金属离子的第一固体前驱体；
[0014]3)将步骤2)得到的固体前驱体再次分散于金属盐溶液中，二次吸附、干燥后得到固体前驱体；根据实际需求，再次分散和二次吸附步骤1
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3次，以使固体前驱体中的碳复合非晶金属氧化物的壳层在2
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3层之间；
[0015]4)将步骤3)得到的固体前驱体焙烧，得到非晶金属氧化物Yolk
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Shell材料。
[0016]其中，步骤3)中金属盐溶液中的水合离子浓度大于等于步骤2)中金属盐溶液中的水合离子浓度。
[0017]对前述非晶碳复合金属氧化物Yolk
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Shell材料的制备方法的进一步完善或补充，步骤1)中的碳源包括葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉和柠檬酸中的一种或多种；碳源水溶液中碳源的浓度为0.1
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6mol/L。
[0018]对前述非晶碳复合金属氧化物Yolk
‑
Shell材料的制备方法的进一步完善或补充，步骤1)中水热反应在反应釜中进行，水热反应的温度为175
‑
220℃，水热反应的时间为100
‑
180min；干燥的温度为60
‑
100℃，干燥的时间为6
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24h。
[0019]对前述非晶碳复合金属氧化物Yolk
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Shell材料的制备方法的进一步完善或补充，的步骤2)和步骤3)中的金属盐溶液是指氯化钽溶液、硝酸钽溶液、硫酸钽溶液、乙酰丙酮钽溶液、草酸钽溶液、乙醇钽溶液、氯化钛溶液、硝酸钛溶液、氯化钨溶液、硝酸钨溶液中的一种，或者多种的混合溶液；
[0020]金属盐溶液的浓度为0.01
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0.5mol/L；金属盐溶液的浓度为0.5
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5mol/L；
[0021]其中，金属盐溶液的溶剂包括水、丙酮和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非晶碳复合金属氧化物Yolk
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Shell材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将碳源水溶液进行高温高压的水热反应，进行碳源脱水缩聚，使其交联生长成微米级碳球；在反应釜降温后，经过滤、洗涤和干燥后得到表面带负电的碳球模板；2)将步骤1)得到的碳球模板分散于金属盐溶液中，在加热条件下，经不同种类电荷的物理吸附、干燥后得到了吸附金属离子的第一固体前驱体；3)将步骤2)得到的固体前驱体再次分散于金属盐溶液中，二次吸附、干燥后得到固体前驱体；根据实际需求，再次分散和二次吸附步骤1
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3次，以使固体前驱体中的碳复合非晶金属氧化物的壳层在2
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3层之间；4)将步骤3)得到的固体前驱体焙烧，得到非晶金属氧化物Yolk
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Shell材料；其中，步骤3)中金属盐溶液中的水合离子浓度大于等于步骤2)中金属盐溶液中的水合离子浓度。2.根据权利要求1所述的非晶碳复合金属氧化物Yolk
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Shell材料的制备方，其特征在于，步骤1)中的碳源包括葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉和柠檬酸中的一种或多种；碳源水溶液中碳源的浓度为0.1
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6mol/L。3.根据权利要求1所述的非晶碳复合金属氧化物Yolk
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Shell材料的制备方，其特征在于，步骤1)中水热反应在反应釜中进行，水热反应的温度为175
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220℃，水热反应的时间为100
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180min；干燥的温度为60
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100℃，干燥的时间为6
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24h。4.根据权利要求1所述的非晶碳复合金属氧化物Yolk
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Shell材料的制备方，其特征在于，的步骤2)和步骤3)中的金属盐溶液是指氯化钽溶液、硝酸钽溶液、硫酸钽溶液、乙酰丙酮钽溶液、草酸钽溶液、乙醇钽溶液、氯化钛溶液、硝酸钛溶液、氯化钨溶液、硝酸钨溶液中的一种，或者多种的混合溶液；金属盐溶液的浓度为0.01
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0.5mol/L；金属盐溶液的浓度为0.5
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5mol/L；其中，金属盐溶液的溶剂包括水、丙酮和乙醇中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的非晶碳复合金属氧化物Yolk
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Shell材料的制备方，其特征在于，步骤2)中金属盐溶液的溶剂包括丙酮和/或乙醇；步骤3)中金属盐溶液的溶剂为水。6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宣伯，刘树勇，李婧，柴凯，王梦同，吴杰长，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：