[发明专利]碳包覆镍复合材料及其制备方法

说明书

提供一种碳包覆镍纳米复合材料的方法，包括如下步骤：S1，形成不含氮的有机羧酸配位Ni离子化合物作为前驱体；S2，在惰性气氛或还原气氛下高温热解所述前驱体。还提供该方法制备的碳包覆镍纳米复合材料。本发明高温热解前驱体直接由Ni(OH)₂、NiO、NiCO₃和碱式碳酸镍中的一种或多种与不含氮的有机羧酸在水溶液中直接反应制备，前驱体Ni的原子利用率可达100％。制备过程无需使用传统方法常用的二氰二胺、三聚氰胺等易升华或分解，且易生成碳纳米管状物的配体；且克服了现有技术需要使用高温高压反应釜自组装，大量浪费有机溶剂、提纯步骤繁琐等缺点。本发明的碳包覆镍纳米复合材料结构完整，分散性好，尺寸均一，在电催化、吸波材料、润滑油添加剂、化工品的合成等领域有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于碳包覆金属复合材料制备与应用领域，具体涉及一种氧掺杂碳包覆镍纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

金属镍纳米颗粒由于具有优异的光学、电学、磁学性能而受到广泛关注。但金属镍纳米颗粒活性高，容易发生团聚或被氧化甚至在空气中燃烧，大大影响了这类材料的性能及其应用。于是同时，作为非金属材料，纳米碳材料具有耐酸碱腐蚀、化学性质稳定等优点。近年来，随着纳米碳材料的研究热潮与进展，纳米碳包覆金属复合材料成为了纳米碳与金属复合材料的研究热点之一。这类材料由单层至数层弯曲石墨片层为壳紧密包裹核层金属纳米粒子，将纳米粒子与外界进行物理隔绝，大大提高了复合材料的稳定性。同时，相关研究表明这类材料的核层金属与表面碳层存在电子相互作用，并在某些催化反应中体现了优异的性能。因此，这种独特的核壳结构纳米材料在电催化、吸波材料、润滑油添加剂等领域有着广阔的应用前景。

目前，碳包覆金属纳米粒子的方法主要有电弧法、化学气相沉积法(CVD)以及高温热解法等。其中电弧法所使用设备复杂，操作性差，能耗高，不利于材料的大规模制备。相比于电弧法，CVD法成本较低，产量及产率较高，但其难点在于需先制备尺寸均一、分散良好的金属纳米或其化合物颗粒，并且后期产物中常常伴有碳纳米管和无定形碳的颗粒生成。与CVD法相似，热解法的产物的结构与性能受前驱体材料影响较大。但热解法具有工艺简单、成本低、收率高、金属含量可控等优点，是目前最具大规模制备前景的方法之一。

热解法主要可分为两大类，第一类方法直接将碳源(通常为二氰二胺、三聚氰胺等)、金属源混合后置于惰性或还原气氛下进行高温热解。由于二氰二胺、三聚氰胺等碳源在高温下易分解，且与金属颗粒直接混合相互作用较弱，导致配体利用率低，碳化产率低。此外，氰胺类物质为碳、氮源容易促进生成碳纳米管。另一类方法则先将金属离子与有机配体在特性反应下通过自助装连接形成金属-有机骨架化合物作为前驱体。通常制备这种前驱体需要使用有机溶剂，且需要在反应釜中进行高温、高压反应。如中国专利CN1055965009A公开一种以天冬氨酸、4,4’-联吡啶为配体，甲醇、水为溶剂，在高温高压条件下与Ni²⁺配位制备前驱体并在惰性气氛下高温热解制备了碳包覆镍纳米颗粒的方法。An(DOI:10.1039/c6ta02339h，Mesoporous Ni@C hybrids for a high energy aqueousasymmetric supercapacitor device，Electronic Supplementary Material(ESI)forJournal of Materials Chemistry A)等以亚氨基二乙酸为碳源，Ni(NO₃)₂为金属源，同样在高温高压条件下制备了自助装前驱体并进一步在Ar气氛下高温热解制备了碳包覆镍纳米颗粒。

不难看出这两大类热解法具有各自的优点与缺点。为此，若将两类热解法的有点结合在一起，实现纯水相、常压制备有机金属配位前驱体并高温热解制备相关碳包覆金属纳米复合材料对于进一步促进复合材料的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氧掺杂碳包覆镍核壳结构纳米材料及其简易、绿色、高效制备方法。