[發(fā)明專利]一種碳/銅/金屬氧化物復(fù)合多孔材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310218732.3
• 申請日: 2013-06-04
• 公開（公告）號: CN103268929A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 丁軼;王玉燕;楊立山
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: H01M4/133
• 分類號: H01M4/133;H01M4/134;H01M4/131;H01M4/1391;H01M4/1393;H01M4/1395;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 楊磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳/銅/金屬氧化物（C/Cu/MO，M=Zn,Mn,Cd，F(xiàn)e,Ni）復(fù)合多孔材料及其制備方法與應(yīng)用，所制備的復(fù)合多孔材料可用做鋰離子電池負極材料。

背景技術(shù)

復(fù)合納米材料是通過把不同的納米材料有效的整合到一起，從而獲得除單一材料的物化性質(zhì)外各材料間的協(xié)同效應(yīng)。其中，金屬與無機物的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)因為綜合了金屬的高電導(dǎo)率和無機材料固有的物化性能，在能量儲存、工業(yè)催化、功能陶瓷、生物制藥等領(lǐng)域已有廣泛的研究和應(yīng)用。例如在鋰離子電池領(lǐng)域，包括天然石墨、軟碳、硬碳、鈦酸鋰等商用負極材料的比容量偏低（150～300mAhg^-1）；硅基、錫基、合金材料比容量高（300～2000mAhg^-1），但成本高且循環(huán)穩(wěn)定性較差；納米金屬無機化合物等理論比容量較高（>500mAhg^-1），來源廣泛，往往需要復(fù)合導(dǎo)電材料來改善導(dǎo)電性能。目前，添加劑（如碳材料、金屬等）作為電子集流及傳導(dǎo)器可以有效彌補納米金屬無機化合物在電子導(dǎo)電上的不足，從而提高電池能量密度和倍率性能。此外，多孔結(jié)構(gòu)的材料可以有效的緩解電極材料在鋰電充放電過程中的晶胞體積膨脹問題，從而提高材料的結(jié)構(gòu)循環(huán)穩(wěn)定性。因此，開發(fā)金屬/無機材料的多孔納米材料的合成工藝具有重要的研究意義和應(yīng)用前景。

目前，復(fù)合多孔材料的制備方法主要有模板法、化學(xué)還原法、化學(xué)沉積法、電化學(xué)法和去合金法等。例如，高煥新等采用將硅源、鋁源、堿、有機模板劑、金屬無機鹽和水混合，經(jīng)過晶化處理得到了Al₂O₃-SiO₂多孔材料，用于催化有機反應(yīng)（公告號CN?1915822A）；D.W.Lee等將銅粉與鋁粉混合后經(jīng)過噴射干燥、化學(xué)分解、氫氣還原等工藝，制得Cu-Al₂O₃復(fù)合粉，平均尺寸為20nm（Mater.Lett.2004,58,378-383）；孫會元等利用AAO模板鍍Cu作為直流電沉積時的陰極，以ZnSO₄和硼酸溶液為電解液，通過直流電沉積法制得Zn納米管，再通過空氣氧化得到Zn/ZnO納米管（公告號CN?102181890B）；Qi等通過一步去合金方法將三元合金經(jīng)過NaOH腐蝕，得到Cu/(Fe,Cu)₃O₄納米多孔復(fù)合物，Cu顆粒尺寸為20～40nm，氧化物尺寸為600-800nm（J.Mater.Chem.,2011,21,9716-9724）。目前，宏量制備金屬/氧化物復(fù)合多孔材料仍然極具挑戰(zhàn)，因為在合成過程中需要解決幾個技術(shù)難點：高溫下控制金屬和氧化物兩相共存；確保產(chǎn)物顆粒、孔徑、成分均一；擴大生產(chǎn)工藝；環(huán)境友好等。

我們知道，將金屬鹽在一定的氣氛中加熱分解可獲得具有特定化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)的材料。例如，氧化物：ZnO納米片（Adv.Mater.2008,20,4547）、Co₃O₄納米管（Adv.Mater.2007,19,4505）、錳氧化物（公告號CN?102167291A）；金屬單質(zhì)：金屬Cr（公告號CN?101503350A）、金屬Ni（Mater.Trans.2005,42,171）、金屬Co（New?Carbon?Mater.2010,25,199）等。結(jié)合以上技術(shù)背景，具有多孔結(jié)構(gòu)的碳/金屬/氧化物復(fù)合材料能夠綜合各材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在以鋰離子電池負極材料為代表的先進能源技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，而相關(guān)材料及其制備方法尚無報道。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種碳/銅/金屬氧化物復(fù)合多孔材料及其制備方法與應(yīng)用。

發(fā)明概述

本發(fā)明綜合了共沉淀及固相合成技術(shù)，基于不同材料的性能差異設(shè)計了一種碳/銅/金屬氧化物復(fù)合多孔材料的原位合成方法，所制備的碳/銅/金屬氧化物具有納米尺寸的三維孔道結(jié)構(gòu)、制備方法簡單、成本較低廉、環(huán)境友好，對于開發(fā)復(fù)合多孔納米材料的規(guī)模化生產(chǎn)工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

發(fā)明詳述

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種碳/銅/金屬氧化物復(fù)合多孔材料，該復(fù)合多孔材料是由碳、金屬銅納米顆粒和金屬氧化物納米顆粒組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)由金屬氧化物納米顆粒堆積生長成具有三維孔道的多孔骨架，金屬銅納米顆粒附著于金屬氧化物納米顆粒上，碳包覆在金屬銅納米顆粒和金屬氧化物納米顆粒表面；所述金屬氧化物納米顆粒的直徑在30～100nm，金屬銅納米顆粒的直徑在5～10nm，所述三維孔道的尺寸為15～150nm。