[发明专利]一种具有良好催化性能的氢氧化铬纳米空心结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳尺寸、具有空心结构的无机材料的合成，属于一种从无机原料到最终产品的材料制备工艺。

背景技术

由于材料结构对材料性能具有重要影响，设计合成具有特定形状和结构的无机纳米材料，是当前材料、催化、电子、陶瓷和颜料等领域的研究热点之一。由于纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，使其呈现出许多独特的性质。

纳米空心结构是一种新的纳米结构，具有很大的内部空间和壁厚为纳米尺度的壳层，纳米空心的特殊结构使其可作为客体物质的载体。空心结构不仅具有低密度的显著特点，还具备优良的热稳定性、大的比表面积以及特殊的光、电、磁等性能，当前已应用于很多领域，如生物医学工程，催化，传感器，隔音材料，分离工艺(吸收剂)和能源方面的应用，包括存储和光子晶体。目前制备这些空心结构的工艺已有很多种，例如，基于硬模板法的微米级空心结构的合成方法已经得到了广泛应用。通过将特定材料包覆在模版上，基于核-壳结构的微/纳米材料或者其前驱体被首次制备出来。碳纳米管(CNT)，陶瓷纳米线，二氧化硅球，聚合物小球，和金属纳米粒子或纳米线都可以作为固体模板。通过对模版的选择性刻蚀或煅烧，随后，这些核壳结构最终转变成纳米结构，。考虑到制备过程中相关的成本和其他困难，模板法没有被广泛运用在商业化生产中。

除了模板法之外，制备的微纳米结构的空心材料的其他方法也被开发出来。但是，这些方法都包含了到许多复杂，难以控制且可操作性差的步骤。这些因此因素阻碍了其大规模商业化的应用。除此之外，这些既有方法有的还有产率低和非均匀结构的缺点。此外，大多数现有的方法采用的模板去除和水热合成过程是在时间，能源和资金方面代价高昂。

氢氧化铬(Cr(OH)₃)为灰绿色粉末，两性氧化物，不但溶于酸且溶于强碱形成亚铬酸盐，微溶于水。但经过高温退火后形成的三氧化二铬(Cr₂O₃)不溶于酸碱，外观暗绿色，呈蜂窝状，结构松散，长时间用水浸泡，水溶液略呈淡黄绿色。主要用于着色剂，有机合成的催化剂，磁性材料等，也可用作有机合成的催化剂，是目前正在开发并具有广阔应用前景的纳米材料。目前很少有关Cr(OH)₃或Cr₂O₃空心纳米粒子制备的报道，更多的是纳米氧化铬粉体的制备，不同的制备方法各有其优缺点。固相法产量大、制备工艺简单易行，但存在能耗大、效率低、杂质易混入等缺点。气相法制备纳米氧化铬相对而言具有很多优点，如颗粒均匀、纯度高、粒度小、分散性好、化学反应活性高等，但气相法使用的原料和设备昂贵，过程复杂，并且产量不高，且粒子不容易收集导致产品成本太高。从制备方法的数量以及制备的纳米氧化铬的性能上来看，液相法比固相法、气相法都更有优势，是制备纳米氧化铬的首选方法。

因此，发展一种可用于工业化生产的制备微纳米结构的方法，同时具备，低成本、高产率、低粒径分散度、结构稳定和形貌均一的优势，是一种现实的需求和发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、环境友好、易于操作、成本低，产量大的液相纳米氢氧化铬空心材料的制备方法。其特点有以下两条：

(1)不依赖模版，研究无模板、一步合成制备纳米材料的方法，力求最大限度缩短制备周期和降低制备难度。

(2)不使用有机物，适用无机-水溶液合成环境，避免环境污染，同时降低了原料成本，着眼于大规模制备。

下面分别对制备无机空心纳米材料的方法和原料成分进行阐述。这种具备一定空心体积的Cr(OH)₃纳米级空心结构，可在室温下的用液相自组装技术来合成。液相中应包含可以通过纳米颗粒的自生长，自组装以及无序团聚而形成的某种初始形核结构(例如，纳米晶，纳米团聚体等)。之后这些初始形核前驱体可通过某些方法(例如，通过使内部结构在液相中选择性溶解、腐蚀、扩散)，得到了一个纳米级的无机空心壳层结构，通过沉降、离心等方法进行收集。因此，无机Cr(OH)₃纳米级空心结构就在一个相对简单工艺过程中被制备出来了，这种工艺同时具备无需改变反应条件和其它的优点。一种成本低廉，易于操作的合成工艺因此被提出。通过改变液相反应条件和反应物的组份，制备出的壳层还可以实现形状和大小的控制。制备无机空心纳米结构材料的原料是包含构成结构材料主要成份元素的可溶性盐类和沉淀剂，以及一定的液相反应环境，和适宜的温度。