[发明专利]一种高度有序纳米颗粒超晶格材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种高度有序纳米颗粒超晶格材料的制备方法。

背景技术

单分散纳米颗粒是构筑宏观功能材料和器件的理想构建单元，而由纳米颗粒自组装而成、具有高度有序的超晶格材料是近些年兴起的一类新型粒状材料，在电子与光电子器件、催化、能量存储、信息存储等领域显示出重要的应用价值。目前纳米颗粒超晶格材料的制备方法主要依赖于溶剂挥发诱导纳米颗粒自组装；此方法要求纳米颗粒首先要以单分散的胶体形式制备出来，然后通过溶剂的缓慢挥发诱导纳米颗粒自组装形成超晶格结构，因此化学合成单分散纳米颗粒的胶体溶液是制备超晶格材料的前提条件。虽然很多常规物质，如金属、半导体、金属氧化物等的纳米颗粒超晶格都能以这种方法制备出来，但很多材料，如碳材料、硫材料、无定形氧化物、合金、无机盐等很难以单分散胶体纳米颗粒的形式合成出来，因此也无从谈起它们超晶格材料的制备。

在纳米颗粒超晶格中，每个纳米颗粒既保持着自身固有的粒子特性，如量子效应和尺寸效应等，同时相邻颗粒间又存在着电子耦合作用，使超晶格往往表现出单个纳米颗粒所不具备的集体协同效应。纳米颗粒间的相互作用与它们之间的距离密切相关，因此，纳米颗粒超晶格的光、电、磁性质原则上都可以通过改变颗粒间距进行调制。但实际上，胶体纳米颗粒的表面通常被一层长链、绝缘的表面活性剂配体分子（如油酸、油胺等）所覆盖，因此在纳米颗粒超晶格中，相邻纳米颗粒间的相互作用非常微弱，很大程度上限制了超晶格集体效应的体现，并严重影响了电子输运能力，限制了其在催化、电子与光电子器件、储能领域的应用。

本发明中利用高度有序介孔碳为模板合成多种物质的纳米颗粒超晶格材料，其中介孔碳是通过金属氧化物纳米颗粒超晶格的高温碳化以及酸刻蚀处理制备而得，其具有三维连续、孔径可调的孔道结构。产品纳米颗粒超晶格不仅其颗粒尺寸可以在5~50 nm范围内调变，而且相邻纳米颗粒间是通过小窗口相连，因此所得超晶格材料是一种全新的纳米颗粒超晶格材料，非常利于其在电子和光电子器件、储能、催化等领域中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法简单，原料易得的制备三维高度有序纳米颗粒超晶格材料的方法。

本发明提供的制备三维高度有序纳米颗粒超晶格材料的方法，通过溶剂挥发诱导单分散金属氧化物纳米粒子自组装为高度有序超晶格，结合高温碳化酸刻蚀处理获得高度有序介孔材料，以介孔碳为模板，通过浸渍等手段在其孔道中填充所需的前驱体物质，然后通过水解、热解、重结晶等手段促使前驱体在介孔碳的孔道中分解、交联/晶化以形成相应物质的纳米颗粒，所得超晶格材料的晶体结构继承了起始所用金属氧化物纳米颗粒超晶格的晶体结构和空间对称性。具体步骤如下：

（1）以油酸盐作为前驱体，以油酸（或油胺）作为配体，采用高温溶液法制备单分散金属氧化物纳米粒子，所得纳米粒子表面由油酸（或油胺）配体分子所包覆，纳米粒子的粒径和形貌可以通过调变温度、配体用量、溶剂等进行调制；将上述纳米粒子溶于非极性溶剂中，形成稳定的金属氧化物纳米粒子胶体溶液；

（2）将所得金属氧化物纳米粒子胶体溶液置于瓷舟中，控制溶剂挥发速率，诱导纳米颗粒自组装，溶剂完全挥发后即得到具有高度有序结构的纳米粒子超晶格；将其在氮气或氩气下进行高温煅烧，碳化纳米粒子表面的油酸（或油胺）配体分子，得到碳包覆的金属氧化物纳米颗粒超晶格；

（3）将碳包覆的金属氧化物纳米粒子超晶格材料分散于强酸中进行刻蚀处理，去除金属氧化物纳米粒子后得到具有高比表面积、三维连续孔道结构的介孔碳材料；

（4）以介孔碳材料为模板，通过浸渍等方法在其孔道中填充所需的前驱体物质，然后通过水解、热解、重结晶等方法促使前驱体在介孔碳材料的孔道中分解、交联、晶化，生成相应物质的纳米颗粒，以形成超晶格材料。

本发明中，步骤（1）所述的金属氧化物为过渡金属氧化物，具体可选自Fe₃O₄，MnO, CoO, MnFe₂O₄, CdO, CuO，CoFe₂O₄；所述高温溶液法的反应温度为250~330 ℃，反应时间为0.5～2小时； 油酸（或油胺）的浓度为1.5~4.5 mM，所用反应溶剂为十六烯，辛醚，十八烯，二十烯中的一种或多种组合；所得金属氧化物纳米粒子粒径为5~50 nm；所述非极性溶剂为正己烷、辛烷、甲苯、氯仿、四氯乙烯、四氢呋喃中的一种或多种组合。