[發明專利]一種批量、可控制備石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒的方法、裝置及其應用

有效

• 申請號: 202010086591.4
• 申請日: 2020-02-11
• 公開（公告）號: CN111268741B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 孫靜;于冠群;江鎮宇;王文龍;宋占龍;趙希強;毛巖鵬
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C01G49/08
• 分類號: C01G49/08;C01B32/205;B82Y30/00
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 鄭平

本發明涉及一種批量、可控制備石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒的方法、裝置及其應用，該方法使用分散在Tris緩沖溶液中的鹽酸多巴胺將金屬/金屬氧化物納米顆粒進行聚合包覆，然后離心分離并真空干燥制備多巴胺包覆金屬/金屬氧化物納米材料；然后利用金屬/金屬氧化物@碳的耦合吸波特性以及微波選擇性作用吸波介質的機理，采用微波流化床將前述制備的碳包覆金屬/金屬氧化物進行靶向加熱催化碳層石墨化轉化，獲得石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米材料。本發明得到的石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米材料的形貌均勻，純度高，單分散性好；產率及效率高，成本相對較低，反應裝置較為簡單；并能夠實現大規模制備，具有工業化前景。

技術領域

本發明屬于一種石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒的制備方法，特別涉及到一種可應用于催化材料、生物醫學、磁記錄材料、電極材料等領域，形貌、尺寸可控的系列碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒的制備方法。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

碳包覆納米金屬/金屬氧化物是一種具有核―殼結構的新型功能復合材料。包覆殼層為無定形碳結構或多層石墨層結構，內核為納米金屬/金屬氧化物顆粒。這種獨特結構能夠阻止內核金屬/金屬氧化物被水解，也阻止了內核顆粒的長大和團聚。碳包覆納米金屬/金屬氧化物具有所有納米材料擁有的表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應和量子隧道效應等效應，并且碳包覆層的存在還賦予內核金屬/金屬氧化物一些奇特的物理化學特性。這種材料在催化材料、生物醫學、磁記錄材料、電極材料等領域有著廣闊的應用。傳統制備碳包覆納米金屬/金屬氧化物的方法有很多，主要有熱解法、激光法、機械球磨法、化學氣相沉積法、水熱法、溶膠—凝膠法和電弧放電法。

其中電弧放電法為最早也是常用的一種方法，是在真空或惰性氣氛下，通過電弧放電蒸發由石墨和目標包覆的金屬單質或者金屬氧化物組成的混合陽極的制備方法，而該方法的反應條件較為苛刻，產率低，難以控制產物的結構，副產物較多且很難避免。化學氣相沉積、熱解和高溫碳化等方法，本質上是類似的，都是將含碳物質在高溫下炭化沉積在金屬顆粒表面完成包覆過程，所不同的是金屬源和碳源的類型和狀態，制備過程受原料和反應條件的約束大，產物中不可避免地伴有大量的副產物(如碳納米管、碳納米籠以及無定形碳等碳原子簇雜質)，無法實現大規模生產。溶膠凝膠方法和水熱法在提高產物產率和純度，調控顆粒尺寸和形貌方面具有突出的優勢，制備過程也具有設備較為簡單，反應條件溫和、易于控制的特點，但發明人發現：因反應溫度較低，碳殼主要是由無定形碳組成，石墨化程度低，熱穩定性和化學穩定性較差。

發明內容

為了克服上述問題，本發明提供了一種批量、可控制備石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒的制備方法，該方法制備的碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒純度高、形貌均勻、單分散性好，且方法簡便、成本低。

為實現上述技術目的，本發明采用的技術方案如下：

本發明的第一個發明，提供了一種批量、可控制備石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒的方法，包括：

將金屬/金屬氧化物納米顆粒與鹽酸多巴胺分散在緩沖溶液中，混合均勻、離心、干燥，形成多巴胺包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒；

將多巴胺包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒在微波流化床中進行碳化，即得石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒。

本發明研究發現：單獨的微波設備加熱材料會引起材料燒結粘連的問題，而單獨的常規流化床的加熱效率要低。因此，本發明是結合了微波的高效選擇性加熱、流化床防止物料在靜態反應加熱不均，材料燒結粘連的優點，利用金屬/金屬氧化物@碳的耦合吸波特性以及微波選擇性作用吸波介質的機理，采用微波流化床將前述制備的多巴胺包覆的金屬/金屬氧化物進行靶向加熱催化碳層石墨化轉化，獲得石墨碳包覆金屬/金屬氧化物納米材料。