[发明专利]一种Zn掺杂的铜铝尖晶石固溶体材料及制备方法和应用

说明书

本发明属于尖晶石结构材料领域，具体公开了一种Zn掺杂的铜铝尖晶石固溶体材料及制备方法和应用，Zn掺杂的铜铝尖晶石固溶体材料由CuO与Zn_xCu_1‑x‑yAl_2+zO₄组成，所述CuO的质量分数为4％‑20％，Zn_xCu_1‑x‑yAl_2+zO₄的质量分数为80％‑96％；其中：0＜x≤0.5，0≤y＜0.5，0≤z≤0.5。与现有技术相比，本发明以锌源、铜源、铝源和柠檬酸为原料，采用球磨处理后焙烧就可得到Zn掺杂的铜铝尖晶石固溶体材料，所用原料价格低廉，合成路线短，操作过程简单，合成耗能低，操作重复性高，操作工艺参数容易控制。所得尖晶石固溶体材料含量高，平均粒径小，分散均匀，掺杂的Zn元素以Zn²⁺的形式存在，尖晶石阳离子分布情况发生改变，有利于第三组分改性尖晶石体系的研究，具备广阔的研究和应用前景。

技术领域

本发明涉及尖晶石结构材料领域，特别是一种Zn掺杂的铜铝尖晶石固溶体材料及制备方法和应用。

背景技术

尖晶石型氧化物分子式可写为AB₂O₄，每个晶体含有8个晶胞，O^2-构成一个面心立方晶格，对于正尖晶石，阳离子A²⁺分布在四面体位置，阳离子B³⁺分布在八面体位置。作为新型功能材料，尖晶石结构材料因其丰富的物理性质而具有巨大的研究价值和广阔的应用前景，不仅可以应用于热催化、电催化和光催化等的化学转化中，在正极材料、发光材料、传感材料、纳米管材料、导电材料等领域也被广泛应用。根据文献报道，将二元Cu-Al尖晶石催化材料应用于甲醇水蒸气重整制氢技术，在长期稳定性实验(1000h)后仍保持较高的催化活性(参见文献Angew.Chem.Int.Ed.2014,53,11886–11889)。

目前，许多研究者在研究具有尖晶石结构材料的制备过程，并引入第三组分金属实现类质同相替代，以提高其在热催化、电催化和光催化等化学转化中的性能。根据专利CN108654624 A报道，采用固相法制备Cu-Ni-Al尖晶石并应用于甲醇水蒸气重整制氢技术，连续实验300h仍保持较高的甲醇转化率。根据文献报道，利用固相球磨法制备了Cu_1-xMg_xAl₃尖晶石催化材料，在800h甲醇水蒸气重整制氢反应中表现出较好的催化性能(参见文献Fuel.2021,284,119041)。据文献报道，采用微波合成法，通过表征证实Cu²⁺掺杂到Zn-Al尖晶石结构中，但没有提及应用和尖晶石含量(参见文献J.Nanosci.Nanotechno.2013,13,3096-3103)。据文献报道采用Zn²⁺、Cu²⁺、Al³⁺金属盐溶液为原料，经过溶胶凝胶法、700℃焙烧、低温退火制备了Zn掺杂的铜铝尖晶石，但没有提及应用和尖晶石占比(参见文献Inorg.Chem.2007,46,4067-4078)。

铜铝尖晶石的制备通常采用水热法、溶胶凝胶法等，统称为液相合成法。该法实验控制因素较多，对目标产物的影响较大，液相法产生较多的废液，需要进行环保处理，加大了目标产合成的成本。与液相法相比，固相球磨法具有操作简单、工艺参数少和合成路线短等特点，但对铜铝尖晶石制备而言存在严重的物料粘连，甚至影响制备产物的均匀性。对于采用球磨法制备Zn掺杂的铜铝尖晶石，目前还未发现有文献报道。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术中存在问题，提供一种Zn掺杂的铜铝尖晶石固溶体材料及制备方法和应用。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：