一种金属氧化物纳米结构复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种金属氧化物纳米结构复合材料及其制备方法，制备方法包括将金属粉末置于水中；将导电基体材料作为电极浸入上述溶液中；使用常压等离子体作为对电极，对溶液进行放电处理，干燥得到金属氧化物纳米结构的复合材料。本发明的方法，无需使用金属盐溶液或化学试剂，利用常压等离子体和水的协同作用，实现金属氧化物纳米结构复合材料的制备，绿色环保；可以方便地在各种导电材料上复合金氧化物纳米结构，得到具有新特性的复合材料。本发明金属氧化物纳米结构复合材料，具有较高的比表面积和稳定的结构，其结合了基底良好的导电性，金属氧化物优异的物理化学性能以及纳米结构的小尺寸效应。

权利要求

1.一种金属氧化物纳米结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将颗粒尺寸为1～100μm的金属粉末置于水中，得到混合液；

2)将导电基体材料作为电极浸入上述混合液中；

3)使用常压等离子体作为导电基体材料的对电极，对溶液进行放电处理，干燥得到金属氧化物纳米结构的复合材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：金属粉末与水的体积混合比为1：(5～

50)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：纳米结构选自纳米颗粒。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：纳米结构选自纳米介孔结构或纳米片。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：纳米结构单元的厚度为10nm～1μm。

6.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于：金属为过渡金属或过渡金属形成的合金。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：过渡金属选自钴、镍、铜、铁、锌、锰、钼中的至少一种，合金包括镍钴合金、镍铁合金、铜镍合金、铁钴镍合金或钴锌合金。

8.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于：常压等离子体放电处理的时间为不少于5min。

9.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于：导电基体材料选自泡沫镍、泡沫铜、金属片、导电薄膜、导电玻璃中的一种。

10.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于：导电基体材料选自碳布、碳纤维纸中的一种。

11.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于：常压等离子体的载气为氩气、氮气、氦气、氧气或空气中的至少一种。

说明书

一种金属氧化物纳米结构复合材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别涉及一种金属氧化物纳米结构复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 近年来，金属氧化物纳米结构得到迅速发展，在光电转换、光致变色、光电催化等方面具有广泛应用。为了制备出金属氧化物纳米结构，人们开发出电沉积法、水热法、化学还原法等方法。将金属氧化物纳米结构复合到其他基体材料上，可以获得具有特殊性能的材料，或提高基体材料的性能。然而，金属氧化物纳米结构本身较为脆弱，难以有效复合在基体材料上。

[0003] 以导电材料为基底制备金属氧化物的纳米结构复合材料主要方法为电沉积法和水热法。如CN104134788A公开了一种电沉积制备三维梯度金属氢氧化物/氧化物电极材料的方法，主要是利用电流引导溶液中的金属离子沉积在工作电极上形成金属氢氧化物/氧化物纳米结构。CN107705999A公开了一种以泡沫镍为基底，金属盐和各种化学试剂为原料的水热法配合后续煅烧得到Co3O4@NiO的金属氧化物核壳纳米片阵列电极材料的制备方法。然而，不可忽略的是，这些方法都是以金属盐为原料，所制备的金属氧化物纯度不佳，且存在需要使用多种化学试剂等问题。鉴于此，采用金属为原料制备金属氧化物纳米结构的策略也不断发展起来。

[0004] CN105118685A公开了一种原位生长制备氧化钴纳米片超级电容电极材料的方法。包括：对钴片基体进行预处理，去除其表面的油脂和氧化物；随后，钴片置于无水乙醇中进行超声震荡浸泡，取出后烘干，真空保存；再将钴片进行氧化处理，即可得到氧化钴超电容电极材料。CN105905870A公开了一种以非层状金属氧化物为原料制备金属氧化物二维纳米材料方法，是将非层状金属氧化物粉末进行高能球磨140～160h，得到球磨粉；随后，球磨粉与碱性溶液混合，在110～130℃的温度下恒温加热；加热后的样品进行固液分离和干燥，得到平均厚度为2～10nm，宽度为0.5～2μm金属氧化物纳米片。这种方法制备得到的纳米材料，难以复合至其他材料上，

[0005] CN103088386A公开了一种金属氧化物半导体纳米材料的制备方法，以金属电极为原材料，通过在水中电极之间等离子体诱导形成金属氧化物纳米材料。由于两个金属电极之间产生高能量等离子体，因此可以获得具有束状氧化铜或花簇状氧化锌纳米材料。Liu等人提出了一种利用等离子体作为一个电极，铜箔作为对电极，氯化钠/葡萄糖作为电解质的方法，将铜箔氧化成氧化亚铜纳米颗粒(J.Phys.D:Appl.Phys.49(2016)275201)。Velusanmy等人进一步利用等离子体作为阴极，乙醇溶液作为电解质，将阳极的铜箔氧化成氧化铜纳米颗粒(Plasma Process Polym.2017；14:e1600224)。还有一种方案是利用常压微等离子体作为阳极，硫酸铜作为溶液，ITO作为阴极，在放电的处理下，可以在ITO上沉积上铜和氧化亚铜纳米晶(RSC Adv.,2015,5,62619)。同样的，该方法无法将金属氧化物纳米结构复合到其他材料中，制备得到的产品应用受到限制。

[0006] 开发一种简便的金属氧化物纳米结构复合材料具有非常重要的意义。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于一种金属氧化物纳米结构复合材料及其制备方法。

[0008] 本发明所采取的技术方案是：

[0009] 一种金属氧化物纳米结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0010] 1)将颗粒尺寸为1～100μm的金属粉末置于水中；

[0011] 2)将导电基体材料作为电极浸入上述溶液中；

[0012] 3)使用常压等离子体作为导电基体材料的对电极，对溶液进行放电处理，干燥得到金属氧化物纳米结构的复合材料。

[0013] 作为上述制备方法的进一步改进，金属粉末与水的体积混合比为1：(5～50)。

[0014] 作为上述制备方法的进一步改进，纳米结构选自纳米颗粒、纳米介孔、纳米片。

[0015] 作为上述制备方法的进一步改进，纳米结构单元的厚度为10nm～1μm。

[0016] 作为上述制备方法的进一步改进，金属为过渡金属或过渡金属形成的合金。

[0017] 作为上述制备方法的进一步改进，过渡金属选自钴、镍、铜、铁、锌、锰、钼中的至少一种，合金包括镍钴合金、镍铁合金、铜镍合金、铁钴镍合金、钴锌合金。

[0018] 作为上述制备方法的进一步改进，常压等离子体放电处理的时间为不少于5min。

[0019] 作为上述制备方法的进一步改进，导电基体材料选自碳布、碳纤维纸、泡沫镍、泡沫铜、金属片、导电薄膜、导电纤维、导电玻璃中的一种。

[0020] 作为上述制备方法的进一步改进，常压等离子体的载气为氩气、氮气、氦气、氧气或空气中的至少一种。

[0021] 按上述方法制备得到的金属氧化物纳米结构复合材料。

[0022] 本发明的有益效果是：

[0023] 本发明的方法，无需使用金属盐溶液或化学试剂，利用常压等离子体和水的协同作用，实现金属氧化物纳米结构复合材料的制备，制备方法绿色环保。本发明方法可以方便地在各种导电材料上复合金氧化物纳米结构，得到具有新特性的复合材料。

[0024] 本发明金属氧化物纳米结构复合材料，是基于微米尺度金属颗粒与等离子体以及水的腐蚀氧化形成的，具有较高的比表面积和稳定的结构，其结合了基底良好的导电性，金属氧化物优异的物理化学性能以及纳米结构的小尺寸效应。

附图说明

[0025] 图1为实施例1所制备的氧化钴纳米片碳布复合材料的拉曼图谱；

[0026] 图2为实施例1所制备的氧化钴纳米片碳布复合材料的扫描电子显微镜图片；

[0027] 图3为实施例2所制备的氧化钴纳米片镍复合材料的扫描电子显微镜图片；

[0028] 图4为实施例3所制备的氧化镍钴纳米片泡沫镍复合材料的扫描电子显微镜图片；

[0029] 图5为实施例4所制备的氧化镍碳布复合材料的扫描电子显微镜图片；

[0030] 图6为实施例5所制备的氧化铁碳布复合材料的扫描电子显微镜图片；

[0031] 图7为对比例1的聚酯薄膜的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

[0032] 一种金属氧化物纳米结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：

[0033] 1)将颗粒尺寸为1～100μm的金属粉末置于水中；

[0034] 2)将导电基体材料作为电极浸入上述溶液中；

[0035] 3)使用常压等离子体作为导电基体材料的对电极，对溶液进行放电处理，干燥得到金属氧化物纳米结构的复合材料。

[0036] 不同的金属氧化物可以赋予复合材料不同的特性，如钴、镍氧化物可以提高材料的电容性能，而纳米CuO和纳米ZnO具有一定的抗菌性能，可以使材料具有良好的抗菌性能。

[0037] 为避免高温干燥破坏材料表面的纳米结构，作为上述制备方法的进一步改进，干燥的温度不超过80℃。干燥的方式可以是各种常见的干燥方法。

[0038] 作为上述制备方法的进一步改进，金属粉末与水的体积混合比为1：(5～50)。

[0039] 作为上述制备方法的进一步改进，纳米结构选自纳米颗粒、纳米介孔、纳米片。

[0040] 作为上述制备方法的进一步改进，纳米结构单元的厚度为10nm～1μm。结构单元指构成纳米结构的基本单元，如纳米颗粒、纳米片。

[0041] 作为上述制备方法的进一步改进，金属为过渡金属或过渡金属形成的合金。

[0042] 作为上述制备方法的进一步改进，过渡金属选自钴、镍、铜、铁、锌、锰、钼中的至少一种，合金包括但不限于镍钴合金、镍铁合金、铜镍合金、铁钴镍合金、钴锌合金。

[0043] 作为上述制备方法的进一步改进，常压等离子体放电处理的时间为不少于5min。处理的时间可以根据金属或合金的种类、纳米结构的厚度等进行调整，但需要处理时间在
5min以上，以保证金属得到氧化。一般而言，处理时间为5～60min，5～30min。

[0044] 作为上述制备方法的进一步改进，导电基体材料选自碳布、碳纤维纸、泡沫镍、泡沫铜、金属片、导电薄膜、导电纤维、导电玻璃中的一种。

[0045] 作为上述制备方法的进一步改进，常压等离子体的载气为氩气、氮气、氦气、氧气或空气中的至少一种。载体的选择只要保证形成稳定的低温等离子体即可，在大气压条件下以惰性气体为主。此外，为了丰富复合材料的元素和组成，以提升复合材料的功能性，也可以在上述载气中添加其他化学组分。在载气中添加的化学组分可以是在常压等离子体发生温度下为气体的化学组分，包括但不限于氨气、过氧化氢、氟碳等。

[0046] 按上述方法制备得到的金属氧化物纳米结构复合材料。

[0047] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解到，在阅读了本发明的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0048] 实施例1

[0049] 1)将10g平均尺寸为50μm的钴粉和50mL水混合后静置；

[0050] 2)待金属粉末沉降后，将1cm*2cm的碳布浸没入溶液中作为阴极，以常压氩气等离子体作为阳极，调节激发电压为2kV，产生等离子体并对溶液处理10分钟；

[0051] 3)关闭电源，不高于80℃干燥后即可得到氧化钴纳米片碳布结构复合材料。

[0052] 图1是本实施例所制备的氧化钴纳米片碳布复合材料的拉曼图谱。可以看出，碳布表面存在氧化钴成分，氧化钴主要以Co3O4的形式存在。

[0053] 图2是本实施例所制备的氧化钴纳米片碳布复合材料的扫描电子显微镜图片。可以看出，经本发明方法制备的氧化钴纳米片均匀生长在碳布上，总体成型良好。

[0054] 实施例2：

[0055] 1)将5g平均尺寸为1μm的钴粉和15mL水混合后静置；

[0056] 2)待金属粉末沉降后，将1cm*2cm的镍片浸没入溶液中作为阴极，以常压空气等离子体作为阳极，调节激发电压为3kV，产生等离子体并对溶液处理12分钟；

[0057] 3)关闭电源，不高于80℃干燥后即可得到氧化钴纳米片镍结构复合材料。

[0058] 图3是本实施例所制备的氧化钴纳米片镍复合材料的扫描电子显微镜图片。可以看出，经本发明方法制备的氧化镍纳米片尺寸均匀，平均厚度小于10nm，总体成型良好。

[0059] 实施例3：

[0060] 1)将8g平均尺寸为100μm的镍钴合金粉(镍质量百分比为25％)和20mL水混合后静置；

[0061] 2)待金属粉末沉降后，将1cm*2cm的泡沫镍浸没入溶液中作为阳极，以常压氮气等离子体作为阴极，调节激发电压为2.5kV，产生等离子体并对溶液处理20分钟；

[0062] 3)关闭电源，不高于80℃干燥后即可得到镍钴氧化物纳米片泡沫镍结构复合材料。

[0063] 图4是本实施例所制备的镍钴氧化物纳米片泡沫镍复合材料的扫描电子显微镜图片。可以看出，经本发明方法制备的镍钴氧化物尺寸均匀，平均厚度小于10nm，总体成型良好。

[0064] 实施例4：

[0065] 1)将10g平均尺寸为10μm的镍粉和20mL水混合后静置；

[0066] 2)待金属粉末沉降后，将1cm*2cm的碳布浸没入溶液中作为阳极，以常压氦气等离子体作为阴极，调节激发电压为1.8kV，产生等离子体并对溶液处理25分钟；

[0067] 3)关闭电源，不高于80℃干燥后即可得到氧化镍碳布复合材料。

[0068] 图5是本实施例所制备的氧化镍碳布复合材料的扫描电子显微镜图片。可以看出，经本发明方法制备的镍氧化物为纳米多孔(介孔)结构，总体成型良好。

[0069] 实施例5：

[0070] 1)将10g平均尺寸为10μm的铁粉和20mL水混合后静置；

[0071] 2)待金属粉末沉降后，将1cm*2cm的碳布浸没入溶液中作为阴极，以常压氧气等离子体作为阴极，调节激发电压为3.5kV，产生等离子体并对溶液处理8分钟；

[0072] 3)关闭电源，不高于80℃干燥后即可得到氧化铁碳布复合材料。

[0073] 图6是本实施例所制备的氧化铁碳布复合材料的扫描电子显微镜图片。可以看出，经本发明方法制备的铁氧化物为纳米颗粒结构，总体成型良好。

[0074] 从图2～6可以看出，纳米结构单元的厚度为10nm～1μm，形貌相对均匀，完整。特别是制备得到的纳米片，具有极佳的形貌。

[0075] 对比例1：

[0076] 技术方案同实施例1，不同之处在于使用绝缘的聚酯薄膜作为阴极。制备过程中发现，绝缘材料的使用，明显影响了常压等离子体的放电状态。这是由于等离子体和基体材料为两个电极，并构成导电回路。若其中一个电极为绝缘材料，则会影响整个回路的电学性能，从而影响等离子体的产生和稳定。为进一步分析是否在此条件下，也能制备出金属氧化物纳米结构复合材料，对上述聚酯薄膜进行扫描电子显微镜观察分析，结果如图7所示。可以看到，聚酯薄膜仍呈现出光滑的表面，并无纳米结构的形成。

[0077] 与现有技术相比，本发明的制备方法简便，可控性高，制备得到的金属氧化物复合材料具有很好的形态。可以预见可具有广泛的用途。