一种锚定钴纳米粒子的多级结构制备方法

技术领域

本发明属于溶胶-凝胶制备制造领域，具体涉及一种锚定钴纳米粒子的多级结构制备方法。

背景技术

近年来，研究人员越来越关注纳米材料的结构并不断深入探究其形成原因以及其应用。其中，根据纳米材料结构形态的不同，可以将材料分为零维、一维、二维和三维结构。为了发挥不同结构的优势，研究人员利用各种方法合成出具有多种结构的纳米材料，借以发挥其结构优势。在这些合成方法中，可以根据组装原理不同进行区分。目前，主要的多级结构合成方法有催化剂辅助生长法、模板辅助生长法以及溶胶-凝胶法。

催化剂辅助生长法通常是由纳米催化剂诱导的气液固(Vapor-Liquid-Solid，VLS)生长过程。其需要先制备微纳米结构然后再利用沉积在纳米结构上的金属作为分级结构的生长位点，在高温下获得分级纳米材料。目前，这种方法已被广泛应用，然而因为其过程复杂，形貌难以控制也易受环境影响。模板辅助生长法利用模板具有的特殊结构或者性质来形成丰富有序结构的分级材料。其有着丰富的模板，工艺简单以及可重复性。然而，在形成多级结构后需移除模板，容易破坏结构。

相较与其他的合成方法，溶胶-凝胶法有着合成简单，能耗低，无危险以及操作简单的优点。其原理是利用金属与配体的相互配位，来发生交联反应，这样可以达到使金属盐均匀分布于碳材料中同时起到锚定金属的作用，从而避免金属的团聚。本申请提供一种通过溶胶-凝胶法制备锚定钴纳米粒子的多级结构助力氧还原电催化剂简易、快捷制备方法，操作简单快捷，易于规模化生产。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种锚定钴纳米粒子的多级结构制备方法，该方法通过一步溶胶-凝胶法制备得到的锚定钴纳米粒子的多级结构，不仅操作简单快捷，易于规模化生产，而且制得的锚定钴纳米粒子的多级结构具有比表面积大，活性位点多，生物相容性好等优点。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种锚定钴纳米粒子的多级结构制备方法，具体步骤如下：

（1）制备反应溶液：将水与冰醋酸作为混合溶剂，加入Co盐前驱体和壳聚糖，超声混合均匀后得到反应溶液；

（2）制备锚定钴纳米粒子的多级结构：将步骤（1）制得的反应溶液置于细胞粉碎机中震荡，后经冷冻干燥与高温热解后得到锚定钴纳米粒子的多级结构。

作为本发明的一种改进，所述步骤（1）中Co盐前驱体为K

作为本发明的一种改进，所述步骤（1）中壳聚糖和Co盐前驱体的质量比例为6 :1。

作为本发明的一种改进，所述步骤（1）的混合溶剂中冰醋酸的体积含量为17%。

作为本发明的一种改进，所述步骤（1）中超声时间为4 min。

作为本发明的一种改进，所述步骤（2）中震荡时间为4 min。

作为本发明的一种改进，所述步骤（2）中高温热解的温度为700~900 ℃。

作为本发明的一种改进，所述步骤（1）中壳聚糖作为碳基底和还原剂。

本发明的有益效果为：

（1）采用溶胶-凝胶法制备锚定钴纳米粒子的多级结构，工艺简便易行，便于操作，有利于规模化生产。

（2）操作简单快捷，制备得到的锚定钴纳米粒子的多级结构形貌单一、纯度高。

（3）制得的锚定钴纳米粒子的多级结构具有比表面积大、活性位点多、生物相容性好等优点，显示出对氧还原优异的电催化活性。

附图说明

图1为本发明制备的锚定钴纳米粒子的多级结构的TEM图谱。

图2为本发明制备的锚定钴纳米粒子的多级结构的SEM图谱。

图3为本发明制备的锚定钴纳米粒子的多级结构的HRTEM图谱。

图4为本发明制备的锚定钴纳米粒子的多级结构的XRD图谱。

图5为本发明制备的锚定钴纳米粒子的多级结构的XPS图谱。

图6为本发明制备的锚定钴纳米粒子的多级结构的与商业化Pt/C对氧还原的电催化活性对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

（1）反应溶液的制备：量取25 mL水与5 mL冰乙酸(体积比为5:1)的混合溶液作溶剂，加入200 mg的壳聚糖作为碳基底和还原剂和33.233 mg的K

（2）锚定钴纳米粒子的多级结构的制备：将配好的反应溶液置于细胞粉碎机中震荡4 min，反应结束后的白色水凝胶经过冷冻干燥和800 ℃高温热解即可得到锚定钴纳米粒子的多级结构。

实施例2

（1）反应溶液的制备：量取25 mL水与5 mL冰乙酸(体积比为5:1)的混合溶液作溶剂，加入200 mg的壳聚糖作碳基底和还原剂和33.233 mg的K

（2）锚定钴纳米粒子的多级结构的制备：将配好的反应溶液置于细胞粉碎机中震荡4 min，反应结束后的白色水凝胶经过冷冻干燥和700 ℃高温热解即可得到锚定钴纳米粒子的多级结构。

实施例3

（1）反应溶液的制备：量取25 mL水与5 mL冰乙酸(体积比为5:1)的混合溶液作溶剂，加入200 mg的壳聚糖作碳基底和还原剂和33.233 mg的K

（2）锚定钴纳米粒子的多级结构的制备：将配好的反应溶液置于细胞粉碎机中震荡4 min，反应结束后的白色水凝胶经过冷冻干燥和900 ℃高温热解即可得到锚定钴纳米粒子的多级结构。

采用TEM、HRTEM、SEM、XRD和XPS等途径对以上实施例制备的锚定钴纳米粒子的多级结构助力氧还原电催化剂进行物理表征。

从低倍TEM（图1）和SEM（图2）图谱可以看出，根据本发明方法制备的催化剂是一种锚定钴纳米粒子的多级结构，可以提供了更大的比表面积和更多的活性位点。

从进一步放大的HRTEM（图3）图谱可以看出，Co纳米粒子的粒径为15-20 nm左右，晶格条纹间距0.204 nm。

图4是锚定钴纳米粒子的多级结构的XRD图谱，通过与标准图谱比对，催化剂的衍射峰可与Co的标准卡片完全吻合，Co的标准卡片（JCPDS，15-0806），证明了Co单质的成功形成。

图5是锚定钴纳米粒子的多级结构的XPS图谱,显示锚定钴纳米粒子的多级结构中Co以零价态存在，说明前驱体Co(Ⅲ)被完全还原成了零价Co。

图6是氧还原的电催化活性对比图，由图可以看出锚定钴纳米粒子的多级结构具有比商业化Pt/C更为优异的氧还原活性。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，在上述实施例的基础上还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。