[發(fā)明專利]一種球形金屬氮化物材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210534827.1
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN103021672A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 秦勇;儲富強;陶永新;孔泳;黎珊
• 申請（專利權(quán)）人: 常州大學(xué)
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/86;C01B21/06;C01B21/076;B82Y30/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料合成技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種球形金屬氮化物材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

能源和環(huán)境問題是目前人類亟需解決的兩大問題。在化石能源日漸枯竭、環(huán)境污染日益嚴重、全球氣候變暖的今天，尋求替代傳統(tǒng)化石能源的可再生綠色能源、謀求人與環(huán)境的和諧顯得尤為迫切。新型的可再生能源，譬如風(fēng)能和太陽能等的利用；電動汽車、混合動力電動車的逐步市場化，各種便攜式用電裝置的快速發(fā)展，均需要高效、實用、“綠色”的能量儲運體系。對于新型的“綠色”儲能器件，在關(guān)切其“綠色”的同時，高功率密度、高能量密度則是其是否可以真正替代傳統(tǒng)能量儲運體系的重要指標。超級電容器是目前重要的“綠色”儲能裝置。而其中核心部分是性能優(yōu)異的電極材料。

過渡金屬氮化物是元素氮插入到過渡金屬晶格中所生成的一類金屬間充型化合物，它兼具有共價化合物、離子晶體和過渡金屬3種物質(zhì)的性質(zhì)。由于元素氮的插入，致使金屬晶格擴張，金屬間距和晶胞常數(shù)變大，金屬原子間的相互作用力減弱，產(chǎn)生相應(yīng)的d帶收縮修飾和Fermi能級附近態(tài)密度的重新分布，價電子數(shù)增加，結(jié)構(gòu)也隨之變化。這種調(diào)變使過渡金屬氮化物這類化合物具有了獨特的物理和化學(xué)性能，例如具有絲毫不遜色于Pt和Rh等貴金屬催化劑的性能，被譽為“準鉑催化劑”。而作為超級電容器的電極材料方面，金屬氮化物的比電容甚至超過了氧化釕，這類低成本、高摩爾密度、優(yōu)異化學(xué)阻抗的材料將是下一代廉價、高效超級電容器電極材料的首選。而目前金屬氮化物的制備，主要路線為金屬前驅(qū)物在NH3氣氛中縮合，所得到的材料比表面小、孔隙度差，限制了其性能。納米球形中空材料因為具有大的比表面積、規(guī)整的孔道結(jié)構(gòu)、可以負載其他材料的空腔、易于傳質(zhì)等優(yōu)點，則可以解決材料的上述缺陷，但是，關(guān)于納米球形中空金屬氮化物的制備，還未見報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：現(xiàn)有技術(shù)中的金屬氮化物材料，比表面積小、孔隙度差，其使用性能受到限制。

為解決這一技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種球形金屬氮化物材料，該球形金屬氮化物材料具有中空介孔納米結(jié)構(gòu)，包括納米球形中空介孔氮化鈦、納米球形中空介孔氮化鎳和納米球形中空介孔氮化鉬。

在球形金屬氮化物中，納米粒子的大小為100~200納米，介孔孔道的孔徑為2~10nm，中空空腔的直徑為20~100nm，比表面積為300~800m²/g。

本發(fā)明還提供了一種上述球形金屬氮化物材料的制備方法，具體步驟為：

（1）將2~10mL硅源溶解于50~100mL乙醇和5~20mL水的混合溶劑中，攪拌滴加1~10mL飽和濃氨水，繼續(xù)攪拌1~5h,過濾，得到中間產(chǎn)物A；

作為優(yōu)選：硅源選自純的正硅酸四乙酯TEOS、0.1~0.5mol/L的硅溶膠或0.1~0.5mol/L硅酸鈉的水溶液；

（2）將0.5g步驟（1）中得到的產(chǎn)物A分散于50~150mL水中，加入含0.2~1g陽離子表面活性劑、100~300mL乙醇、100~300mL水，1~10mL飽和濃氨水的混合液，攪拌30min，滴加0.5~5mL硅源，繼續(xù)攪拌3~9h后，過濾，干燥，得到中間產(chǎn)物B；

作為優(yōu)選：陽離子表面活性劑是指十六烷基三甲基溴化銨CTAB或十六烷基三甲基氯化銨CTAC，

本步驟將納米實心SiO₂小球（中間產(chǎn)物A）經(jīng)過改性，得到外層介孔SiO₂包覆的納米實心SiO₂材料（中間產(chǎn)物B）；

（3）將0.1~1g堿溶液于100mL水中，加入步驟（2）得到的產(chǎn)物B，于20~50℃攪拌6h，過濾，干燥，然后在空氣中焙燒除去產(chǎn)物中的表面活性劑，得到中間產(chǎn)物C；

作為優(yōu)選：堿選自NaHCO₃，Na₂CO₃或NaOH，

本步驟通過加入堿，選擇性刻蝕掉內(nèi)層的實心SiO₂，得到納米中空介孔SiO₂（中間產(chǎn)物C）；

（4）取1g步驟（3）得到的中間產(chǎn)物C，加入到含有1~5g氮前驅(qū)物的水溶液10mL充分浸漬，離心干燥后，在500~800℃下，氮氣或氬氣氣氛中中焙燒，然后用飽和氫氟酸溶解SiO₂，離心，干燥，得到中間產(chǎn)物D；

作為優(yōu)選：氮前驅(qū)物選自單氰胺、雙氰胺或三聚氰胺，