[发明专利]一种双金属元素掺杂二氧化硅复合纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种双金属元素掺杂二氧化硅复合纳米材料及其制备方法和应用。所述复合纳米材料包括金属元素和具有中空的壳层结构的二氧化硅；金属元素选自锌、钴、镍、锰、铜或铁中的至少两种；内部空腔尺寸为50～500nm；比表面积为500～1000m²/g，孔体积为1.2～2.0cm³/g。本申请工艺简单，同时实现模板的去除和中空介孔复杂结构的构建。利用配位聚合物的丰富有序的金属组成和独特的配位不稳定性作为金属源和结构导向模板形成内部空腔形成同时掺杂金属元素。材料形貌规整，尺寸均一，分散性良好，具有单/双壳层和中空结构，具有高比表面积和大的孔体积，在催化、能源利用和转化等领域都有很好的应用前景。

技术领域

本申请属于材料制备技术领域，具体涉及一种双金属元素掺杂二氧化硅复合纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

微/纳米尺度设计和调控材料结构吸引了广泛关注，通过比较具有不同形貌、孔道以及多级结构的材料，揭示了结构对反应性能的提高。中空介孔纳米材料由于空腔和孔道的存在赋予了其特殊的物理化学性能和应用价值。此外，由于多组分间(金属-金属、金属-载体)的协同和耦合作用被证明可以显著提高催化反应的活性及稳定性，因此为了进一步满足催化和能源利用的特殊需要，开发复杂的中空纳米复合材料是非常必要的。然而，不同金属组分在材料中的定向引入和精准位控是一个关键的挑战。

模板法被广泛用于中空纳米结构的构筑，其中多数工艺采用二氧化硅或聚苯乙烯等硬质球作为硬模板，往往需要刻蚀剂或高温煅烧来进行模板的移除，工艺复杂，且形貌难以控制。此外，对此类模板需要进行特定功能化或包覆修饰才能获得具有多功能的复合纳米材料，涉及多个材料合成和分离步骤，不适合大批量制备材料。

发明内容

本申请属于一种双金属元素掺杂中空介孔二氧化硅复合纳米材料的制备方法，方法简单，产量较高，稳定性好，可以原位同时引入两种不同金属元素，此方法制备的纳米复合材料具有可调的空腔大小、壳层结构、金属含量和金属分布，在催化、能源利用和转化等领域都有很好的应用前景。

根据本申请的一个方面，提供一种金属元素掺杂二氧化硅复合纳米材料，包括金属元素和二氧化硅；

所述金属元素掺杂于二氧化硅中；

所述金属元素选自锌元素、钴元素、镍元素、锰元素、铜元素或铁元素中的至少两种；所述金属元素的含量为所述金属元素掺杂二氧化硅复合纳米材料的0.5％～20wt％；

所述复合纳米材料的微观结构为中空的球壳。

所述中空的球壳的内径为50～500nm；

所述复合纳米材料的比表面积为500～1000m²/g；

所述球壳具有介孔；所述介孔的孔径为2～20nm；所述介孔的孔体积为1.2～2.0cm³/g。

所述中空的球壳为单壳层或双壳层，壳层中各金属元素均匀分布。

根据本申请的另一个方面，提供一种上述的金属元素掺杂二氧化硅复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含有金属元素前驱体和有机配体的原料与溶剂混合，发生络合反应、干燥I，得到金属配位聚合物；

(2)将含有硅烷前驱体和(1)中得到的金属配位聚合物的原料与表面活性剂、氨水、乙醇混合，得到混合溶液，发生溶剂热反应，干燥II，焙烧，得到所述金属元素掺杂二氧化硅复合纳米材料；

所述有机配体选自咪唑类有机配体或有机酸类有机配体。

进一步地，包括以下步骤：

(1)将含有金属元素前驱体和有机配体的原料与溶剂混合，经搅拌I、络合反应、离心I、干燥I，得到金属配位聚合物；