[发明专利]一种生物矿化的微反应器调控固态合成纳米材料及其储钾器件的应用

说明书

微型反应系统在纳米材料的液相或液‑气相中的合成取得了重要的进展，但在固态合成中研究甚少。本专利采用仿生矿化的方法，原位制备了一种新型的生物矿化的微反应器，其外部由介晶氯化钾外壳以及内部由卡拉胶胶体颗粒填充组成。得益于氯化钾良好的热稳定性和生物矿化结构的紧凑性，微反应器在高温固态合成TM（过渡金属）‑S‑Se纳米材料方面展现出良好的通用性。其中，所制备的MoS_xSe_2‑x/C纳米复合材料具有良好的均匀性、高产率和有毒气体排放少等优点，并具有优异的K⁺存储性能。封闭的反应体系不仅使得在空气中制备非氧化物纳米材料成为可能，大大减少了生产过程和成本。而且作为一种新的绿色合成技术，为工业生产中调控固态合成纳米材料打开了一扇新的大门。

技术领域

本发明属于纳米材料合成领域，提供了一种空气中调控高温固态合成纳米材料的方法——生物矿化微反应器，以及在储钾器件中的应用。

背景技术

随着纳米技术的快速发展，许多新型的纳米材料已经被合成，其中多种材料表现出令人印象深刻的特性和诱人的应用前景。尽管在实验室合成的过程很好，但在大规模生产纳米材料时遇到一系列问题，这大大限制了其商业应用。其中一个问题是设备成本高，高压或释放有毒气体带来的安全风险。另一个问题是，纳米材料的高活性和严重团聚会大大降低规模化生产中结构和成分的可控性和均匀性，导致性能和功能的降低。因此，人们非常期待创新的方法来实现纳米材料的可控规模制备。

近年来，微型化反应系统在化学合成中获得了显著的地位。在这种方法中，化学反应从一个大的反应器转移到许多内部有微小通道或腔室的微反应器中，实现了产品的高产量、良好的均匀性和较少的能源消耗。不幸的是，尽管微反应器在合成各种纳米材料，如金属、氧化物、量子点和沸石方面有许多成功的报道，但这种微反应器只适用于液-液或液-气相合成，不适合工业生产中占主导地位的固态反应。因此，开发新的小型化反应系统用于纳米材料的固态合成具有非常重要的研究意义和广阔的应用前景。

本专利设计并制备了一种新型的微反应器，通过仿生矿化的方法进行纳米材料的高温固态合成。生物矿化的微反应器具有介晶特性的KCl外壳和生物分子内核，里面可以填充反应前驱体物质。得益于KCl外壳良好的热稳定性、保温性、刚度和机械强度，在微反应器中进行了TM（过渡金属）-S-Se三元体系的高温固态合成。其中所制备的MoS_xSe_2-x/C复合材料具有较高的均匀性以及优异的储钾性能。更重要的是，该微反应器提供的封闭的微反应环境不仅使得在空气中合成非氧化物纳米材料成为可能，而且也有利于在实验室研究和工业规模化生产中控制合成各种纳米材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是用生物矿化的微反应器在空气中实现对固态合成纳米材料的调控，并且将其作为电极材料应用于钾离子混合电容器。为了解决上述的技术问题，本发明采用的技术方案是：将卡拉胶与适当比例的反应物前驱体溶解在热水中，加入一定量的氯化钾，之后进行冷冻干燥，此过程中会形成卡拉胶胶体，并进一步诱导氯化钾进行生物矿化过程，形成生物矿化的微反应器。在马弗炉中升温至指定温度并保持合适的时间进行高温固态反应。将反应后的产物进行多次水洗，经真空干燥后获得样品。最后将获得的样品用作电极材料，应用于高性能的钾离子混合电容器。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1) 生物矿化微反应器技术方法得益于其自身形成的独特的结构以及微反应环境，使得在空气中制备非氧化物纳米材料成为可能，这大大降低了反应条件，极大地缩小了制备成本；

(2) 适用于制备其他纳米复合材料，例如FeS_xSe_2-x，Co₉S_xSe_8-x，S_nS_xSe_1-x，CuS_xSe_1-x，展示了该技术较好的通用性；