[发明专利]一种具有核/壳异质结构金属氧化物复合纳米纤维的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于具有纳米复合结构的材料，特别涉及一种具有核/壳异质结构的金属氧化物复合纳米纤维的制备方法。

背景技术

核/壳结构的纳米纤维作为一种特殊结构的纳米材料，由于其独特的性质在环境、传感、催化、光电、能源等领域都有着重要的应用前景，引起了人们的广泛关注。目前制备核/壳结构纳米纤维的方法主要有化学气相沉积法、水热法、模板法、静电纺丝法等。其中静电纺丝方法被认为是可获得连续长纤维并且操作简单的方法，静电纺丝方法制备核/壳结构纳米纤维主要分为同轴电纺丝法和乳液电纺丝方法，同轴电纺丝法是一种原位产生核壳结构纤维的简便方法，与静电纺丝原理相同，它的创新之处在于特殊设计的喷嘴结构，根据需要在内外管中注入组分不同的纺丝液，便可形成具有核壳结构或中空结构等特殊二级结构的聚合物纳米纤维复合材料，但是过程参数较难调控；乳液电纺丝方法是将包含聚合物的乳液进行静电纺丝，所用乳液包括水包油型和油包水型，理论上这两种类型的乳液在一定条件下都可以进行乳液静电纺丝得到核/壳结构纳米纤维，缺点是操作不易控制，制备的核壳结构形貌不均一。

静电纺丝技术是目前制备纳米纤维最重要的方法之一，以其制备的纤维具有直径可控、比表面积大、孔隙率高等优点，因而被广泛应用于过滤、催化、传感器及生物医学等众多领域。以静电纺丝纤维为模板可进一步构建具有多级结构的复合纳米纤维材料，拓宽其应用范围。磁控溅射是一种比较重要的物理气相沉积镀膜技术,溅射镀膜是指在真空室中,利用高能粒子轰击靶材表面,通过粒子动量传递打出靶材中的原子及其他粒子,并使其沉积在基体上形成薄膜的技术。高温烧结法可以将金属盐或者金属单质在有氧存在的条件下将金属粒子或者单质烧结成金属氧化物，在较高温度下高分子聚合物已经完全降解；选择不同的煅烧温度可以得不同结晶相的金属氧化物，通过对烧结温度的调节实现金属氧化物不同结晶形态的有效调控。

本发明提供了一种将普通静电纺丝技术、磁控溅射技术、高温煅烧技术三者相结合，首先通过静电纺丝方法制备金属盐/聚合物复合纳米纤维，然后在金属盐/聚合物复合纳米纤维表面通过磁控溅射技术沉积金属薄膜，最后将获得的复合纤维前驱体通过高温煅烧技术得到具有核/壳异质结构的金属氧化物复合纳米纤维。通过选择不同的核层金属盐前驱体，不同的壳层纯金属镀层前驱体及不同的煅烧温度，来实现对核/壳异质结构金属氧化物纳米纤维种类及晶型的普适调控。与传统方法相比此种方法操作简易程度、结构调节控制等方面都具有非常大的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有核/壳异质结构金属氧化物复合纳米纤维的制备方法，该方法将静电纺丝技术、磁控溅射技术、高温煅烧技术三者相结合，通过对不同前驱体的选择提供了一种更普适的可控组成的核/壳异质结构金属氧化物复合纳米纤维的制备方法。

一种具有核/壳异质结构金属氧化物复合纳米纤维的制备方法，至少包括以下步骤：

（1）静电纺丝

将聚合物加入到溶剂中搅拌至完全溶解，然后向混合溶液中加入选用的金属盐，搅拌待完全溶解后，将前驱体溶液进行静电纺丝，从而获得核层金属氧化物纳米纤维前驱体；

（2）磁控溅射

将负载着金属盐/聚合物复合纳米纤维的硅片放在磁控溅射镀膜设备中，在核层金属氧化物纳米纤维前驱体表面溅射壳层纯金属镀层，调控金属壳层厚度；

（3）高温煅烧

将得到的复合纤维前驱体置于马弗炉中高温煅烧，煅烧温度为600℃～1000℃，时间为2～8小时，升温速率为60℃/h～600℃/h，自然冷却至室温，即得到了具有核/壳异质结构的金属氧化物复合纳米纤维。

步骤（1）中所述的聚合物选自聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧乙烯、聚乙二醇、聚丙烯腈等。

所述的步骤（1）中核层金属盐是金属无机盐或金属有机盐；所述的金属无机盐选自九水合硝酸铁、硝酸铬、硝酸铟、硝酸镍、三氯化铁、四水合四氯化锡、硝酸铈、硫酸铜、四氯钯酸钠、六水合硝酸镧中的一种；所述的金属有机盐选自柠檬酸铁胺、钛酸四丁酯、醋酸铜、醋酸锰、醋酸锌、醋酸镍、醋酸铅、锡酸异丙酯、钛酸异丙酯中的一种。

所述的步骤（1）中静电纺丝设备的玻璃喷丝管的管头内径是1mm，电纺丝设备的工作电压为15～20kV，以铝套为阳极，将硅片贴在铝箔上作为阴极接收产物，两极间的距离10～20cm。

所述步骤（2）中壳层金属氧化物纯金属镀层选自Al、Fe、Mn、Cu、Zn、Mg、Ni、Ti、Ag、Ce、In等中的一种。