[發明專利]金屬及金屬氧化物量子點?介孔碳納米復合材料制備方法

在審

• 申請號: 201611202868.5
• 申請日: 2016-12-23
• 公開（公告）號: CN106783213A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 王連邦;蘇利偉;黑金培
• 申請（專利權）人: 寧海縣浙工大海洋研究院
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/46;H01G11/36;H01G11/30;C01B32/05;C01B32/949;C01G45/02;B22F9/20;B82Y30/00
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司33241
• 代理人: 王利強

(一)技術領域

本發明涉及一種金屬及金屬氧化物量子點-介孔碳納米復合材料的制備方法。

(二)背景技術

量子點(quantum dots，QDs)，又稱為半導體納米微晶體，即由數百到數千個原子組成，半徑小于或接近于波爾激子半徑，尺寸小于的零維納米金屬或半導體材料。由于其獨特的結構，量子點具有量子尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應、介電限域效應、量子限域效應、表面效應等基本特性。因此相比于宏觀材料，量子點納米材料展現出許多特殊的物理和化學性質，在光學、儲能、催化以及新材料等領域呈現出廣闊的應用前景。

超級電容器是介于傳統電容器和二次電池之間的一種電化學儲能裝置，具有功率密度高、循環壽命長、使用溫度范圍寬、對環境無污染等優點，現已廣泛應用于便攜式電子設備、電動汽車領域和備用電源系統。按照儲能機理，超級電容器可分為以碳材料為主的雙電層電容器和以導電聚合物、金屬氧化物為主的贗電容器，而贗電容器具有比碳材料更高的比電容。超級電容器的一大發展方向就是綜合提高能量密度和功率密度，這一方面贗電容有著很大的優勢，但贗電容存在著循環壽命和倍率性能的限制。現如今，研究者的著眼點主要放在減小顆粒尺寸，增大比表面積或者與其他材料復合以提高其容量和穩定性。量子點的超小尺寸，可以有效的增加活性材料的比表面積，電解液可以與活性材料表面更充分的接觸，利于電化學反應的發生，降低電流密度減小極化，從而增大容量，表現出更好的電化學活性和穩定性。

金屬催化劑有著良好的催化性能，現已成為催化化學的研究熱點。將金屬量子點用于催化劑，因其尺寸極小，比表面積大，表面原子配位數嚴重不足存在缺陷，因而具有很高的表面活性，該特性使得量子點在催化領域展現出諸多優異的催化活性和選擇性，是傳統催化劑無法比擬的。

量子點雖具有上述的很多優勢，但由于它表面能較高，極易團聚和劣化，且儲存量子點的有機溶劑毒性較大，這些都限制了量子點的應用。研究表明，通過復合其他基底材料能夠有效提高量子點的性能。介孔碳材料具有較大的比表面積(高達2000m²/g)和比孔容(可達1.5m³/g)，高度有序(或無序)的孔道結構，易于調控的形貌,狹小的孔徑分布，良好的微納結構，優秀的物理化學穩定性，是一種非常理想的載體材料。將量子點與介孔碳材料復合，一方面介孔碳豐富的孔隙結構可以增大量子點的分散，有效的防止量子點顆粒的團聚同時提供較大的反應界面和杰出的化學和熱穩定性，另一方面由于碳材料本身具有良好的導電性，所以它也可以提高活性材料的導電性和離子傳輸能力。量子點-介孔碳納米復合材料不僅具備量子點特殊結構產生的量子尺寸效應，而且具有介孔碳的高電子傳輸性能，二者復合后在儲能和催化等領域極具應用潛力。在以往的報道中，應用于儲能和催化方面的金屬及金屬氧化物量子點/介孔碳復合材料的報道較少，且制備方法大都需要一些昂貴、有毒性的原料和試劑以及特殊的裝置，對人體的危害較大。

(三)發明內容

本發明目的是提供一種具有優異的容量和循環性能的金屬及金屬氧化物量子點-介孔碳納米復合材料的制備方法。

本發明采用的技術方案是：

一種金屬及金屬氧化物量子點-介孔碳納米復合材料的制備方法，所述方法包括：

(1)以金屬M鹽為溶質、以無水乙醇和蒸餾水為溶劑，配制濃度10～100mmol/L的浸漬液，金屬M為Co、Mn、Cu、Zn、Fe或W，無水乙醇:蒸餾水體積比為1:5～8；M為W時，一般采用偏鎢酸銨作為溶質，M為其他金屬時，則一般采用其乙酸鹽作為溶質；

(2)以高疏松性植物秸稈做碳源，去皮，去內莖，粉碎，50～60℃干燥4～5h，得秸稈顆粒；所述高疏松性植物秸稈為玉米秸稈，洋姜秸稈或高粱秸稈；采用高疏松性秸稈植物秸稈，自身組織結構中孔隙率較高，高孔隙率可以使大量浸漬液吸附在秸稈顆粒上。秸稈去皮，去內莖后僅留內瓤，粉碎后呈小顆粒狀。

(3)用步驟(1)浸漬液浸泡步驟(2)秸稈顆粒，固液比為1g：150～250mL，常溫超聲(100～200W)處理10～30min后，0.08～0.1MPa下真空處理10～30min；超聲波的空化作用可以實現非均相反應物之間的均勻混合，加速浸漬液向秸稈顆粒孔隙的擴散。同時，超聲波也可以破壞植物細胞壁，降低纖維素的結晶度，增大表面積，提高溶液對纖維素的可及度，以此來增大負載量。真空處理可以清除孔隙里的空氣，相對的能夠使更多的溶液進入，增加負載量。

(4)將浸泡后的秸稈顆粒過濾，60～80℃干燥；