[发明专利]制备具有可调结构的纳米结构多孔中空球

说明书

技术领域

本发明涉及制备纳米结构颗粒。更特别地，本发明涉及制备球形颗粒的方法，该颗粒是金属或金属合金和碳的复合物，其中该复合物的主要组分是该金属或金属合金。此外，该球形金属-碳复合颗粒的特征为多孔中空内部。采用使用包含该金属（一种或多种）的配位络合物的溶液的气溶胶辅助工艺。

背景技术

已经设计了各种通常非常复杂并麻烦的实践以制备无机中空纳米结构。这些非常小的颗粒中的一些由于在从光子晶体到药物释放载体范围内的光学、电子、磁、催化和感应装置中的广泛应用而具有吸引力。仍需要相对简单地制备多孔中空球形纳米结构形式的金属-碳复合物和金属合金-碳复合物材料的方法。

发明内容

提供了用于制造或制备各种金属（例如镍或铂）与碳的多孔中空球形纳米结构复合物的方法，和用于制造或制备金属合金与碳的这种复合物的方法，例如Ni₁₉Pt-C和Ni₃Pt-C。在本发明的实施方案中，将金属与有机配体的配位络合物形式的前体作为在适合溶剂中的溶液或分散体形成。最终由该溶液或分散体，通过气溶胶形成和热分解工艺形成金属-碳复合物颗粒，如在以下段落中将充分描述的那样。

该有机配体可以是小分子或分子量小于150,000的聚合物。适合的有机配体的实例包括具有饱和或不饱和碳链且具有用于与液体介质中的金属离子或物种形成配位络合物的巯基、胺基、羧基或羟基的小分子。具有表面活性剂性质的含聚氧亚乙基的醚和嵌段共聚物通常是适合的配体。其他适合的聚合物也可以包含类似的官能团用于相同的目的。适合的有机配体与溶剂中的一种或多种金属物种结合以生成用于为最终的金属-碳络合物颗粒成形的配体络合物。在饱和或不饱和碳链中具有3-24个碳原子的有机脂肪酸是适合的配体的另外实例。包含前述官能团的烃分子是适合的配体。可以使用例如聚乙二醇和聚丙二醇嵌段的嵌段共聚物作为聚合物有机配体。在本发明的一些实施方案中，该金属-配体络合物的配体部分在该溶液或分散液中用作结构导向剂，类似表面活性剂，且用于使最终的球形金属-碳颗粒成形。这种实践在本文中称作本发明的非模板实施方案。在本发明的其他实施方案中，可以在分散的金属-配体络合物中添加聚合物或二氧化硅等的颗粒作为模板材料以进一步有助于该金属-碳颗粒的最终成形。

四氢呋喃（THF）是用于本发明的实施方案中所用的很多金属-配体络合物的挥发性溶剂或分散剂实例。THF在形成金属络合物通常采用的环境温度时是液态，THF将其溶解或分散用于随后的气溶胶形成和金属-有机络合物分解方法以获得和成形本发明的该多孔中空金属-碳络合物球形颗粒。

将该有机-金属络合物的液体前体溶液放在雾化器容器中，由该溶液形成气溶胶液滴并排出到氮气或其他适合的惰性气体的引导物流中。该有机-金属络合物的气溶胶液滴和蒸发性溶剂被该惰性气体的物流携带并将其引导通过温度为例如约450℃的管式炉（等）中。认识到该气溶胶中的有机-金属络合物的液滴通常是球形的，其中有机配体部分向内聚集在小球中。快速加热该气溶胶材料，在几秒的时间内几个过程同时发生。溶剂蒸发，有机配体材料分解为气相副产物。一部分配体材料留下了作为碳与该金属的残余物。小的中空球形金属-碳复合物颗粒保留在流动的物流中。将该球形颗粒从该物流中过滤出来，收集并煅烧以除去残余的有机材料或将其转化为碳，留下中空球形的多孔金属-碳复合物或金属合金-碳复合物颗粒。典型地，该金属构成该复合颗粒的超过50wt%。

如上所述，可以通过使用适合的有机配体调节或调整该中空球形颗粒的多孔特征，或者可以通过使用单独的模板材料与该有机配体相结合而调节该多孔特征。在本发明的一些实施方案中（非模板方法），可以在溶液或分散体中操纵金属-有机配体络合物的形成，使得该配体用作结构导向剂，类似表面活性剂，这是因为随着溶剂蒸发所述配体自身（和该络合的金属原子）组织在该气溶胶液滴中以及因为该配体从正收缩的液滴的金属组分中分解。在本发明的其他实施方案中（模板方法），将模板材料分散在预成型的金属-有机配体的溶液中，该模板有助于（一旦对该气溶胶加热）该金属-碳络合球形颗粒的成形。