[发明专利]氧化物多孔材料及其普适性制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，特别涉及一系列具有多尺度孔径、三维连通孔道结构和分级形貌的氧化物多孔材料以及该类多孔材料的一种普适性制备方法。

背景技术

氧化物多孔材料具有比表面积高、相对密度低、重量轻、组成和孔径可控、隔热、隔音、渗透性好、优异的吸附性能和可调节的孔表面性质等特点，在吸附、分离、过滤、消音、隔热、电磁屏蔽、能量储存和转化、药物负载、催化反应和传感器等诸多方面具有广泛的用途。尤其当材料同时具备多尺度孔隙和分级结构形貌时，将显著提高其在应用方面的整体性能。因此，发展一种简单而有效的制备方法来控制合成氧化物多孔材料，是实现它们在这些领域应用的关键所在。制备多孔材料通常使用各种造孔试剂或硬模板，例如表面活性剂、多孔氧化铝、聚苯乙烯纳米球、多孔硅等。但是使用硬模板制备多孔材料，后处理非常复杂，易于引入异相杂质，而且所制备的材料通常不具有多尺度孔隙和分级结构形貌。

采用溶胶-凝胶法并加入有机分子作为造孔剂制备氧化物多孔材料，通过简单煅烧处理即可使前驱体分解成氧化物且同时除去有机分子形成多孔结构；该类方法具有操作简单、反应容易进行、原料廉价易得、普适性好等优点，具有广阔的工业应用前景。但以前文献和专利中所报道的相关制备方法大部分仅局限于某一种多孔氧化物的制备或者获得的多孔氧化物不具有多尺度孔径和分级结构形貌。本发明的创新点在于使用两种不同分子链的有机聚合物来获得多尺度孔隙，可以制备包括氧化锌(ZnO)、氧化铈(CeO₂)、氧化铁(Fe₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)和氧化钛(TiO₂)在内的一系列具有多尺度孔径、三维连通孔道和分级结构形貌的氧化物多孔材料；所合成的多孔氧化物在微介孔区域有精细可调的孔尺寸、狭窄的孔径分布、连通孔道、高比表面积，这类氧化物多孔材料在催化、能量储存及转化、传感器等领域具有重要的用途。本专利所提出的制备方法和获得的氧化物多孔结构目前还尚未见有其它文献和专利报道。

发明内容

本发明的目的是提供一系列具有多尺度孔径和三维连通孔道结构的氧化物多孔材料，以及该类多孔材料的一种普适性制备方法。

本发明所提供的氧化物多孔材料是由尺寸很小的纳米颗粒组装而成，同时拥有介孔和大孔，具有三维连通孔道和分级结构形貌，孔径在1纳米至20微米范围，BET比表面积为10—753m²/g。

优选地，所述氧化物为ZnO、CeO₂、Fe₂O₃、SiO₂、TiO₂中的一种。

本发明所述多孔氧化物的一种普适性制备方法，包括如下步骤：

a.分别称取三嵌段共聚物Pluronic F127(分子式为EO₁₀₆PO₇₀EO₁₀₆，EO为环氧乙烷，PO为环氧丙烷；平均分子量12600)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K90，平均分子量1300000)，两者质量比为(0.5-1)：1，将其溶于由无水乙醇和冰醋酸组成的混合溶液中，搅拌形成均匀溶液；

b.向上述溶液中加入相应的氧化物前驱体，持续搅拌12-36h直至混合溶液形成凝胶状固体，所述氧化物前驱体为经过煅烧后能够转化为氧化物的可溶性金属盐或其它化合物；

c.将所述凝胶状固体在60-100℃温度范围内干燥；

d.将干燥后的固体放入马弗炉中进行煅烧，得到多孔氧化物。

优选地，所述步骤a中无水乙醇与冰醋酸的体积比是5:2，加入冰醋酸可以促进Pluronic F127的溶解，抑制前驱体水解。

优选地，所述步骤b中氧化物前驱体为六水合硝酸锌、六水硝酸铈、九水硝酸铁、正硅酸乙酯、钛酸四丁酯中的一种。

优选地，所述步骤a和b中，所述氧化物前驱体与PVP-K90用量按照(3-6mmol)：(0.4g)的比例。

优选地，所述步骤d中，所述煅烧温度为450℃-700℃，煅烧时间为6-10h，煅烧时控制升温速率为0.5℃-3℃/min。