[发明专利]CNTs@SiO2@Ni/Al-LDH核壳结构的三维纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米结构材料领域，具体涉及一种CNTs@SiO₂@Ni/Al-LDH核壳结构的三维纳米材料的制备方法。

背景技术

水滑石类化合物是一类多功能材料，也称为层状复合金属氢氧化物，包括水滑石(Hydrotalcite，简称为HT)和类水滑石(Hydrotalcite-like Compounds，简称为HTLCs)。其典型的分子式为[M²⁺_1–xM³⁺_x(OH)₂]^x+[A^n–_x/n·mH₂O]^x–。其中的M²⁺、M³⁺分别表示二价、三价金属阳离子，M²⁺可以是锰、锌、钴、镍、铁、钙、铜、镁等金属元素的二价离子；M³⁺表示三价金属阳离子，可以是铝、铁、铬、镓、镍、锰、钴等金属元素的三价离子；A^n–为层间可交换的客体阴离子，如碳酸根离子、硫酸根离子、硝酸根离子、氢氧根离子、磷酸根离子、氯离子、乙酸根、烷基磺酸根等各种有机阴离子以及配合物阴离子、杂多阴离子、聚合物阴离子和氨基酸、核苷酸等生物客体等生物分子。带负电荷的层间阴离子以静电作用力或氢键的方式可以平衡层板上的正电荷使整个水滑石呈现电中性。位于层间的水分子和阴离子可以任意地断开旧键，形成新键，这种性质使得层板间可以选择性的插入不同种类和数量的阴离子，使水滑石具有结构可设计性。因此，水滑石具有层板元素组成及种类、层间阴离子的种类及数量的可调控性并且在许多方面有着潜在的应用，如催化分离、金属防腐、环保、生物医药、电化学等领域。

近年来，人们利用水滑石离子可交换性，合成了一系列水滑石和类水滑石材料。通过对水滑石进行材料结构设计、多组分掺杂等各种各样的设计，使水滑石有可能在各工业领域有广阔的应用前景。例如Li等人（ElectrochimicaActa, 2014, 134, 309）在微波辅助下，通过回流制备了片层状镍铝水滑石纳米结构，在6 mol/L的KOH电解液中，1 A/g电流密度下，比电容量可达到1630 F/g。Wang等人（Energy Fuels, 2010, 24, 6463）利用硝酸镍与硝酸铝为前驱体，在泡沫镍上直接生长了镍铝水滑石材料，该结构避免了电极制备过程中胶黏剂的使用，提高了材料的电化学性能。以上研究成果中所制备的水滑石多为片层状结构，该结构特点易导致水滑石材料在使用过程中易团聚，使用寿命明显降低。即使是在Li等人（ElectrochimicaActa, 2014, 134, 309）的研究成果中，通过引入导电性良好的石墨烯，设计一种基于水滑石与石墨烯的三维复合结构材料，也难以得到一种接触良好，结构稳定的复合材料。因此如何将导电性良好的碳材料如碳纳米管与水滑石结合，设计一种新颖的、稳定的三维结构对提升材料性能具有重要意义。

发明内容

本发明目的是为了克服水滑石纳米片容易团聚、导电性能差、电化学性能较差等缺点，如何将导电性良好的碳材料如碳纳米管与镍铝水滑石结合，设计一种新颖的、稳定的三维纳米结构材料以提升材料性能。提出了一种以碳纳米管(后面简写为CNTs)为核，以镍铝水滑石(后面简写为Ni/Al-LDH)为壳，以二氧化硅（后面简写为SiO₂）为衔接层的三维纳米核壳结构--碳纳米管@二氧化硅@镍铝水滑石，其中该核壳结构复合材料记为：CNTs@SiO₂@Ni/Al-LDH。

本发明的技术方案为：一种CNTs@SiO₂@Ni/Al-LDH核壳结构的三维纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取一定量碳纳米管、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）于容器中，加入乙醇、去离子水形成混合溶液，对上述混合溶液进行超声处理得到碳纳米管溶液A；

2)在溶液A中加入NaOH、正硅酸乙酯(TEOS)，室温条件下搅拌均匀后，离心或者滤取，用乙醇洗产物并烘干，最终得到洁净的粉末B；

3)将一定量异丙醇铝分散在去离子水中，在搅拌均匀后，滴加HNO₃调节溶液pH值并继续搅拌均匀后，将溶液体系冷却至室温，待水分蒸发后即可得到AlOOH溶胶；

4）将干燥后的AlOOH进行研磨，加入去离子水，搅拌均匀并回流1-24小时即可得到溶液C；