[发明专利]一种使活性材料动力学可控的纳米封装结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种使活性材料动力学可控的纳米封装结构及制备方法，本发明主要以石墨烯对极端活性碱金属及其氢化物和铝氢化物的纳米封装技术来调控其水解反应动力学过程为例，主要结构特征包含中心的极端活性材料球体以及球体外紧密包覆的致密石墨烯薄膜以及其外围的固化层，致密的石墨烯薄层在空气气氛中可以将极端活性材料与周围的环境隔离开来从而实现在空气中稳定存在，而在水等溶液氛围中由于异质界面的浸润效果使致密石墨烯薄层的层间距被慢慢打开以实现不同反应组分的传质过程从而实现其动力学过程的非催化调控。本发明简单可行、成本低、适合工业化生产。

技术领域

本发明属于新能源材料及其制备技术领域，特别涉及一种使活性材料动力学可控的纳米封装结构及制备方法。

背景技术

活性材料如碱金属及其氢化物和铝氢化物等由于极易氧化和潮解，不仅储存困难，同时遇水发生爆炸式反应，进而大大限制了其实际应用。目前活性材料(如锂、钾、钠等金属及其氢化物和铝氢化物等)封在轻质矿物油中储存，但使用时需要在手套箱中把活性材料从油中取出并擦除油渍，使用操作要求高。现有技术将氢化锂与轻质矿物油、分散剂制备为浆料封装储存；现有技术将氢化钙同环氧树脂混合搅拌固化封装后外表面采用铝层进一步进行封装。这种方法能有效地抑制其中活性材料发生不可控反应，但是存在有效物质质量占比较低的问题。氢化钠也有采用涂布树脂膜或塑料球封装，但这些球需要在车上一个一个打开，在使用时对技术要求高，这种封装方法同样存在有效质量比低，且使用时需要将外包装材料剥开，类似于油封式储存。宏观包装方法普遍存在有效质量比低，且在使用中需要去除封装材料，操作需要在惰性气氛环境下完成等问题。而纳米封装由于纳米材料的纳米尺寸效应和高比表面积等特点，可以对材料进行表面改性或合成新材料，在磁性材料、电子材料、光学材料以及高强、高密度材料的烧结、催化、传感等方面都有着广阔的应用前景。

现有技术利用密度泛函理论研究了Zn₁₂O₁₂对碱金属(Li、Na)纳米封装的热力学性质，发现纳米封装后其吉布斯自由能为负值，能够提高碱金属的稳定性。但是实验上还没实现活性材料的纳米封装。现有的纳米封装有应用于相对稳定材料的封装包覆，现有技术分别通过类似方法合成豆荚状碳纳米管的方法实现极少量金属的纳米封装，但是通过在合成碳纳米管的过程中获得少量内包覆金属的纳米封装方法，其金属的类型和量都受到极大的限制。现有技术通过真空升华填充的方法实现碳纳米管对不同金属和有机物的纳米封装，可以大大提高纳米封装的材料的种类和质量比，最近实现了稳定性较差的磷的纳米封装。但是通过碳纳米管对不同材料的封装存在复杂，可控性差，产率较低，被封装材料相对外封装材料质量比低的问题，从而限制其实际应用。

同时纳米封装技术也应用于催化剂的包覆中进而防止催化剂的中毒。现有技术采用SiO₂-介孔TiO₂杂化空心微球封装纳米金环己烷氧化催化剂；现有技术采用反胶束方法制备了多核核壳Au-Co@SiO₂纳米球，处理后获得单核纳米球从而提高催化制氢活性。纳米封装概念也被用于树状大分子骨架上生长催化剂纳米颗粒的工作中。该方法能够通过控制催化剂的活性进而控制材料反应的动力学过程，催化方法大多是提高材料的动力学过程，但是还是无法完全避免催化剂的中毒问题。