专利名称：介孔-大孔复合结构金属氧化物材料及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属氧化物材料及制备方法和用途，尤其是一种介孔-大孔复合结构金属氧化物材料及其制备方法和用途。
背景技术：
纳米材料具有的电学、光学、热学、磁学等性质与块体材料相比明显不同且更加优越，已展现出了光明的应用前景，被誉为二十一世纪最有前途的材料，将在电子工业、能源、催化等诸多领域表现出重要的应用价值。近期，人们为了获得纳米金属氧化物材料，做出了不懈的努力，如在 Porous Carbon/Tin (IV) Oxide Monoliths as Anodes for Lithium-1onBatteries, Journal of The Electrochemical Society,2008,155 (9), A658 A663 (用于锂离子电池阳极的多孔碳/二氧化锡块体材料，《电化学学会志》，2008年7月21日发表)一文第A658 A663页公开了一种具有三维有序的大孔_介孔结构的碳/ 二氧化锡纳米复合物块。该纳米复合物 块中大孔的平均直径为327±6nm，各大孔之间孔壁的厚度为107±8nm，在纳米复合物块的壁表面可以观察到直径为15 25nm的二氧化锡纳米颗粒，大孔壁内含有3 5nm的介孔。复合物块的制备方法为先采用双模板法制作具有大孔_介孔复合结构的多孔碳材料，然后再将其浸入SnCl4溶液中，通过热处理制成碳/ 二氧化锡纳米复合物块。但是，无论是纳米复合物块-最终产物，还是其制备方法，都存在着不足之处，首先，块状的形貌使最终产物的比表面积偏低，且难以提高；其次，二氧化锡纳米颗粒是被负载于具有大孔-介孔复合结构的多孔碳骨架上的，若将其用于以二氧化锡为发挥主要作用的场合，则会因二氧化锡的质量过少而使其难有良好的使用效果；最后，制备方法不能制得既具有更高的比表面积，又是纯金属氧化物的最终产物。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种具有更高比表面积的、纯金属氧化物构成的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法。本发明要解决的还有一个技术问题为提供一种上述介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的用途。为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为介孔-大孔复合结构金属氧化物材料由金属氧化物组成，特别是，所述金属氧化物为薄膜状，所述薄膜的厚度为0. 3 ΙΟμπι，其由球形孔或半球形孔构成；所述球形孔或半球形孔的孔直径为100 2000nm,其孔壁由纳米颗粒构成；所述纳米颗粒的粒径为10 50nm，其相互之间为介孔；所述介孔的孔直径为2 50nm。
作为介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的进一步改进，所述的金属氧化物为氧化锡，或氧化铟，或氧化锌，或氧化锰，或氧化铁，或氧化钛，或氧化锆，或氧化铝，或氧化钨，
或氧化钒。为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为上述介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法包括水热法，特别是完成步骤如下步骤1，先按照葡萄糖、水和十六烷基三甲基溴化铵之间的重量比为I 20 : 38 42 : O O. 5的比例，将其置于密闭状态下，于温度为100 180°C下反应I 20h，得到中间产物，再对中间产物进行离心、洗涤和干燥的处理，得到球直径为IOOnm 2 μ m的碳球；步骤2，先按照重量比为O. 5 10 O. 05 1: 14 18的比例，将金属盐、碳球和乙醇混合后超声10 120min，得到混合物，再将混合物置于O 120°C下回流I 20h，得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物；步骤3，先将碳球与金属氧化物的前驱体混合物涂覆于基底上，再依次将其上涂覆有碳球与金属氧化物的前驱体混合物的基底置于30 90°C下老化2 96h、350 650°C下煅烧I 12h，制得介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。作为介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法的进一步改进，所述的离心处理时的转速为2000 6000r/min ;所述的洗漆处理为依次使用乙醇和去离子水洗漆2 5次；所述的干燥处理为置于50 70°C下干燥；所述的金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐，或金属齒化物；所述的基底为陶瓷 基底。为解决本发明的还有一个技术问题，所采用的还有一个技术方案为上述介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的用途为将介孔-大孔复合结构金属氧化物材料作为气敏元件，利用其吸附被测气体后电阻的变化来测量苯类气体、酮类气体、醇类气体和醛类气体的浓度。作为介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的用途的进一步改进，所述的苯类气体为苯气体，或甲苯气体，或二甲苯气体，或氯苯气体，或二氯苯气体；酮类气体为丙酮气体，或丁酮气体，或戊酮气体；醇类气体为乙醇气体，或甲醇气体，或丙醇气体；醛类气体为甲醛气体，或乙醛气体，或丙醛气体。相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的目标产物分别使用扫描电镜、X射线衍射仪和比表面与孔隙率分析仪进行表征，由其结果可知，目标产物为薄膜状；其中的薄膜的厚度为O. 3 ομπι，其由高有序度的球形孔或半球形孔构成，球形孔或半球形孔的孔直径为100 2000nm，其孔壁由纳米颗粒构成，纳米颗粒的粒径为10 50nm，其相互之间为介孔，介孔的孔直径为2 50nm。薄膜状的目标产物由金属氧化物组成，金属氧化物为氧化锡，或氧化铟，或氧化锌，或氧化锰，或氧化铁，或氧化钛，或氧化锆，或氧化铝，或氧化钨，或氧化钒。目标产物的比表面积高达10 40m2/g。这种由薄膜状的纯金属氧化物组成的目标产物既使其的比表面积有了极大的提高，又因面对感应或作用场合的是其整体而使探测或使用的效果得到了大大的提高。其二，制备方法科学、有效，将碳球模板法与高温煅烧法有机地结合起来，巧妙地利用碳球作为形成大孔的模板，以及碳球表面存在的疏松结构来形成介孔，不仅制得了很高比表面积的纯金属氧化物的目标产物，还克服了软模板法制备材料孔结构有序度差和采用双模板法时原料多、操作复杂的缺点，简化了制备介孔-大孔复合结构材料的制备工艺，为其适于工业化生产奠定了基础。其三，将制得的目标产物作为气敏元件，利用其吸附被测气体后电阻值的变化对待测气体进行了大量的测试，当被测的苯类气体、酮类气体、醇类气体和醛类气体的浓度低至IOppm时，仍能将其检测出来，且目标产物对待测气体的响应和恢复时间更快。作为有益效果的进一步体现，一是金属氧化物优选为氧化锡，或氧化铟，或氧化锌，或氧化锰，或氧化铁，或氧化钛，或氧化锆，或氧化铝，或氧化钨，或氧化钒，不仅使得原料的来源较为丰富，还使制备工艺更易实施且灵活，更利于目标产物应用的针对性。二是离心处理时的转速优选为2000 6000r/min，洗涤处理优选为依次使用乙醇和去离子水洗涤2 5次，干燥处理优选为置于50 70°C下干燥，均利于获得高品质的碳球。三是金属盐优选为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐，或金属卤化物，易于得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物。四是基底优选为陶瓷基底，除化学性质稳定之外，还可多次重复使用。五是苯类气体优选为苯气体，或甲苯气体，或二甲苯气体，或氯苯气体，或二氯苯气体；酮类气体优选为丙酮气体，或丁酮气体，或戊酮气体；醇类气体优选为乙醇气体，或甲醇气体，或丙醇气体；醛类气体优选为甲醛气体，或乙醛气体，或丙醛气体；上述几种气体均属常见气体，若能对其进行有效地检测，则具有现实的使用价值和环保意义。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。图1是对制得的目标产物——金属氧化物为SnO2使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。该SEM照片清晰地显示出了目标产物是由球形孔或半球形孔构成的薄膜，球形孔或半球形孔的孔壁由纳米颗粒构成，纳米颗粒之间为介孔。图2是对图1所示的目标产物使用比表面与孔隙率分析仪进行表征的结果之一。该图证实了目标产物存在着大量的孔径为20nm左右的介孔，同时也存在着孔径为200nm以上的大孔。图3是将现有的SnO2气敏元件和图1所示的目标产物分别置于浓度为10 200ppm的苯气体气氛中所测得的敏感特性曲线图。测试的条件为现有的SnO2气敏元件和目标产物两端的测试电压均恒定为O.1V，工作温度为100 200°C。由此敏感特性曲线图可看出，目标产物对苯气体的灵敏度要高于现有的SnO2气敏元件，且响应和恢复的时间均更快。图4是将现有的SnO2气敏元件和图1所示的目标产物分别置于浓度为10 200ppm的甲苯气体气氛中所测得的敏感特性曲线图。测试的条件为现有的SnO2气敏元件和目标产物两端的测试电压均恒定为O.1V，工作温度为100 200°C。由此敏感特性曲线图可看出，目标产物对甲苯气体的灵敏度要高于现有的SnO2气敏元件，且响应和恢复的时间均更快。
具体实施例方式首先从市场购得或用常规方法制得葡萄糖冰；十六烷基三甲基溴化铵；金属盐；乙醇；其中，金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐，或金属齒化物。
接着，实施例1制备的具体步骤为步骤1，先按照葡萄糖、水和十六烷基三甲基溴化铵之间的重量比为1: 38 : O的比例，将其置于密闭状态下，于温度为100°c下反应20h，得到中间产物。再对中间产物进行离心、洗涤和干燥的处理；其中，离心处理时的转速为2000r/min，洗涤处理为依次使用乙醇和去离子水洗涤2次，干燥处理为置于50°C下干燥，得到球直径为IOOnm的碳球。步骤2，先按照重量比为O. 5 0.05 14的比例，将金属盐、碳球和乙醇混合后超声IOmin ;其中，金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐或金属卤化物，现选金属盐为二氯化锡，得到混合物。再将混合物置于0°C下回流20h，得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物。步骤3，先将碳球与金属氧化物的前驱体混合物涂覆于基底上；其中，基底为陶瓷基底。再依次将其上涂覆有碳球与金属氧化物的前驱体混合物的基底置于30°C下老化96h、350°C下煅烧12h，制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的金属氧化物为氧化锡的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。实施例2制备的具体步骤为步骤1，先按照葡萄糖、水和十六烷基三甲基溴化铵之间的重量比为5 39 O.1的比例，将其置于密闭状 态下，于温度为120°C下反应15h，得到中间产物。再对中间产物进行离心、洗涤和干燥的处理；其中，离心处理时的转速为3000r/min，洗涤处理为依次使用乙醇和去离子水洗涤3次，干燥处理为置于55°C下干燥，得到球直径为600nm的碳球。步骤2，先按照重量比为3 O.1 15的比例，将金属盐、碳球和乙醇混合后超声30min ;其中，金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐或金属卤化物，现选金属盐为二氯化锡，得到混合物。再将混合物置于30°C下回流15h，得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物。步骤3，先将碳球与金属氧化物的前驱体混合物涂覆于基底上；其中，基底为陶瓷基底。再依次将其上涂覆有碳球与金属氧化物的前驱体混合物的基底置于45°C下老化75h、425°C下煅烧9h，制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的金属氧化物为氧化锡的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。实施例3制备的具体步骤为步骤1，先按照葡萄糖、水和十六烷基三甲基溴化铵之间的重量比为10 40 O. 3的比例，将其置于密闭状态下，于温度为140°C下反应10h，得到中间产物。再对中间产物进行离心、洗涤和干燥的处理；其中，离心处理时的转速为4000r/min，洗涤处理为依次使用乙醇和去离子水洗涤4次，干燥处理为置于60°C下干燥，得到球直径为I μ m的碳球。步骤2，先按照重量比为5 O. 5 16的比例，将金属盐、碳球和乙醇混合后超声60min ;其中，金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐或金属卤化物，现选金属盐为四氯化锡，得到混合物。再将混合物置于60°C下回流10h，得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物。
步骤3，先将碳球与金属氧化物的前驱体混合物涂覆于基底上；其中，基底为陶瓷基底。再依次将其上涂覆有碳球与金属氧化物的前驱体混合物的基底置于60°C下老化50h、500°C下煅烧6h，制得如图1所示，以及如图2中的曲线所示的金属氧化物为氧化锡的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。实施例4制备的具体步骤为步骤1，先按照葡萄糖、水和十六烷基三甲基溴化铵之间的重量比为15 41 0.4的比例，将其置于密闭状态下，于温度为160°C下反应5h，得到中间产物。再对中间产物进行离心、洗涤和干燥的处理；其中，离心处理时的转速为5000r/min，洗涤处理为依次使用乙醇和去离子水洗涤4次，干燥处理为置于65°C下干燥，得到球直径为1. 5 μ m的碳球。步骤2，先按照重量比为7. 5 0.8 17的比例，将金属盐、碳球和乙醇混合后超声90min ;其中，金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐或金属卤化物，现选金属盐为四氯化锡，得到混合物。再将混合物置于90°C下回流5h，得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物。步骤3，先将碳球与金属氧化物的前驱体混合物涂覆于基底上；其中，基底为陶瓷基底。再依次将其上涂覆有碳球与金属氧化物的前驱体混合物的基底置于75°C下老化25h、575°C下煅烧3h，制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的金属氧化物为氧化锡的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。实施例5
制备的具体步骤为步骤1，先按照葡萄糖、水和十六烷基三甲基溴化铵之间的重量比为20 42 O. 5的比例，将其置于密闭状态下，于温度为180°C下反应lh，得到中间产物。再对中间产物进行离心、洗涤和干燥的处理；其中，离心处理时的转速为6000r/min，洗涤处理为依次使用乙醇和去离子水洗涤5次，干燥处理为置于70°C下干燥，得到球直径为2 μ m的碳球。步骤2，先按照重量比为10 I 18的比例，将金属盐、碳球和乙醇混合后超声120min ;其中，金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐或金属卤化物，现选金属盐为醋酸锡，得到混合物。再将混合物置于120°C下回流lh，得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物。步骤3，先将碳球与金属氧化物的前驱体混合物涂覆于基底上；其中，基底为陶瓷基底。再依次将其上涂覆有碳球与金属氧化物的前驱体混合物的基底置于90°C下老化2h、650°C下煅烧lh，制得近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的金属氧化物为氧化锡的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。再分别选用金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐或金属卤化物，其中，金属氧化物为氧化锡，或氧化铟，或氧化锌，或氧化锰，或氧化铁，或氧化钛，或氧化锆，或氧化铝，或氧化钨，或氧化钒；重复上述实施例1 5，同样制得了如或近似于图1所示，以及如图2中的曲线所示的相应金属氧化物的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的用途为，将介孔-大孔复合结构金属氧化物材料作为气敏元件，利用其吸附被测气体后电阻的变化来测量苯类气体、酮类气体、醇类气体和醛类气体的浓度；其中，苯类气体为苯气体，或甲苯气体，或二甲苯气体，或氯苯气体，或二氯苯气体，酮类气体为丙酮气体，或丁酮气体，或戊酮气体，醇类气体为乙醇气体，或甲醇气体，或丙醇气体，醛类气体为甲醛气体，或乙醛气体，或丙醛气体，得到如或近似于图3和图4中的曲线所示的测量结果。 显然，本领域的技术人员可以对本发明的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料及其制备方法和用途进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种介孔-大孔复合结构金属氧化物材料，由金属氧化物组成，其特征在于所述金属氧化物为薄膜状，所述薄膜的厚度为O. 3 ομπι，其由球形孔或半球形孔构成；所述球形孔或半球形孔的孔直径为100 2000nm，其孔壁由纳米颗粒构成；所述纳米颗粒的粒径为10 50nm，其相互之间为介孔；所述介孔的孔直径为2 50nm。
2.根据权利要求1所述的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料，其特征是金属氧化物为氧化锡，或氧化铟，或氧化锌，或氧化锰，或氧化铁，或氧化钛，或氧化锆，或氧化铝，或氧化钨，或氧化钒。
3.一种权利要求1所述介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法，包括水热法，其特征在于完成步骤如下步骤1，先按照葡萄糖、水和十六烷基三甲基溴化铵之间的重量比为I 20 38 42 O O. 5的比例，将其置于密闭状态下，于温度为100 180°C下反应I 20h，得到中间产物，再对中间产物进行离心、洗涤和干燥的处理，得到球直径为IOOnm 2 μ m的碳球；步骤2，先按照重量比为O. 5 10 O. 05 1: 14 18的比例，将金属盐、碳球和乙醇混合后超声10 120min，得到混合物，再将混合物置于O 120°C下回流I 20h，得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物；步骤3，先将碳球与金属氧化物的前驱体混合物涂覆于基底上，再依次将其上涂覆有碳球与金属氧化物的前驱体混合物的基底置于30 90°C下老化2 96h、350 650°C下煅烧I 12h，制得介孔-大孔复合结构金属氧化物材料。
4.根据权利要求3所述的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法，其特征是离心处理时的转速为2000 6000r/min。
5.根据权利要求3所述的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法，其特征是洗涤处理为依次使用乙醇和去离子水洗涤2 5次。
6.根据权利要求3所述的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法，其特征是干燥处理为置于50 70°C下干燥。
7.根据权利要求3所述的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法，其特征是金属盐为要制备的金属氧化物所对应的醋酸盐，或金属卤化物。
8.根据权利要求3所述的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的制备方法，其特征是基底为陶瓷基底。
9.一种权利要求1所述介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的用途，其特征在于将介孔-大孔复合结构金属氧化物材料作为气敏元件，利用其吸附被测气体后电阻的变化来测量苯类气体、酮类气体、醇类气体和醛类气体的浓度。
10.根据权利要求9所述的介孔-大孔复合结构金属氧化物材料的用途，其特征是苯类气体为苯气体，或甲苯气体，或二甲苯气体，或氯苯气体，或二氯苯气体；酮类气体为丙酮气体，或丁酮气体，或戊酮气体；醇类气体为乙醇气体，或甲醇气体，或丙醇气体；醛类气体为甲醛气体，或乙醛气体，或丙醛气体。
全文摘要
本发明公开了一种介孔-大孔复合结构金属氧化物材料及其制备方法和用途。材料为厚度为0.3～10μm的薄膜状，其由孔直径为100～2000nm的球形孔或半球形孔构成，孔壁由粒径为10～50nm的纳米颗粒构成，纳米颗粒间为孔直径为2～50nm的介孔；方法为先将葡萄糖、水和十六烷基三甲基溴化铵置于密闭状态下反应得到中间产物，再对中间产物进行离心、洗涤和干燥的处理得到碳球，之后，先将金属盐、碳球和乙醇混合后超声并回流得到碳球与金属氧化物的前驱体混合物，再将碳球与前驱体混合物涂覆于基底上，最后，依次将基底经老化、煅烧，制得目标产物。它可作为气敏元件，利用其吸附被测气体后电阻的变化来测量苯类气体、酮类气体、醇类气体和醛类气体的浓度。
文档编号G01N27/12GK103048363SQ20111031544
公开日2013年4月17日 申请日期2011年10月12日 优先权日2011年10月12日
发明者孟凡利, 李会华, 刘金云, 金震, 孔令涛, 孙宇峰, 刘锦淮 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院