通用模板法宏量制備金屬氧化物空心微球及性能研究.pdf

1、由于特殊的空心結(jié)構(gòu)和形貌，空心微球具有低密度、高比表面、熱絕緣性、高的穩(wěn)定性、表面滲透性以及光散射性等特性，使得空心微球作為一種新型功能材料在壓電轉(zhuǎn)換、催化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊而特殊的應(yīng)用前景。金屬氧化物納米材料由于具有特殊的物理化學(xué)性能而在電子工業(yè)、陶瓷工業(yè)、航天工業(yè)及生物工程等領(lǐng)域都有廣泛用途。金屬氧化物空心微球已經(jīng)成為了高新技術(shù)中熱門研究對象，其制備方法有很多種，模板法的使用最為廣泛，因為理論上只要找到一種合適的模板材料，就

2、可以制備尺寸、外形、化學(xué)組分可控的空心結(jié)構(gòu)。然而不論是硬模板法還是軟模板法，均存在著缺點，例如模板需要修飾；軟模板對溶液環(huán)境，例如 pH、離子強度等非常敏感；無模板法使用范圍較窄。目前并無一種通用的、可大量制備金屬氧化物空心微球的實驗方法，因此深入而細致地研究模板法制備空心微球的原理及工藝，具有非常現(xiàn)實的應(yīng)用價值。
　　本篇論文針對多種金屬氧化物空心微球材料開展工作，結(jié)合硬模板法優(yōu)勢，采用蒸餾沉淀法，制備得到了表面及內(nèi)部均富含羧基

3、的模板微球，不需要進一步進行修飾，模板就可與多種類的金屬離子形成金屬羧酸鹽微球前驅(qū)體，再通過固相合成法將一元、二元以及多元金屬羧酸鹽的聚合物微球煅燒，制備得到形貌規(guī)整的金屬氧化物空心微球，實現(xiàn)金屬氧化物空心微球的宏量制備，拓展一元、二元以及多元金屬氧化物空心微球的通用制備方法。主要研究內(nèi)容如下：
　　1）通過蒸餾沉淀法合成了單分散的交聯(lián)聚合物微球PEGDMA-co-MAA（二甲基丙烯酸乙二醇酯-co-α-甲基丙烯酸），以此作為模板

4、，在乙酸鈉的乙醇溶液中吸附Na+，再通過陽離子交換法，用目標金屬離子（M+）置換模板微球表面和內(nèi)部的Na+，形成單分散的富含M+前驅(qū)體M+-PEGDMA-co-MAA微球，將烘干粉末置于管式爐中，空氣條件下煅燒，精確控制升溫過程，最終獲得了金屬氧化物空心微球。以錫離子為例，通過嘗試不同價態(tài)的錫離子、不同的升溫速率等實驗條件，獲得了一系列不同直徑、不同壁厚的SnO2空心微球。采用場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）、透射電鏡（TEM）、熱分析系統(tǒng)

5、（TGA）、X射線粉末衍射儀（XRD）等表征手段，對SnO2空心微球進行表征，對煅燒過程中成型機理進行了分析，并將 SnO2空心微球制備成鋰離子電池負極材料，組裝成模擬電池進行電化學(xué)測試，結(jié)果表明 SnO2空心微球負極材料展現(xiàn)出了很好的充放電容量。這種方法較為簡單，可宏量制備，對其它金屬氧化物同樣適用，對研究金屬氧化物空心微球的制備有很好的現(xiàn)實意義，可發(fā)展成為一種廣泛適用的制備方法。
　　2）通過將聚甲基丙烯酸聚合物微球（PMAA

6、）分散在乙酸金屬鹽的乙二醇溶液中，加熱回流制備得到單分散的聚甲基丙烯酸-乙二醇-金屬鹽微球（PMAA-EG-M），然后通過精確控制升溫速率煅燒除去聚甲基丙烯酸微球（PMAA）內(nèi)核，得到ZnO，CuO，CoO2，NiO2等一系列一元空心金屬氧化物；NixCoyO2-x-y，ZnxCoyO2-x-y，ZnxCdyO2-x-y，CuxCoyO2-x-y等二元空心金屬復(fù)合氧化物；ZnxNiyCozO2-x-y-z，ZnxCoyMnzO2-x-y

7、-z，CuxCoyMnzO2-x-y-z，ZnxCoyCuzO2-x-y-z等三元空心金屬復(fù)合氧化物納米材料。采用透射電鏡（TEM）和場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）等測試手段對所得的粉末進行了形貌表征，采用傅立葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對煅燒前后樣品進行結(jié)構(gòu)成分表征，采用 X射線粉末衍射儀（XRD）測試了煅燒后粉末的晶型。此法由于采用加熱回流法制備尺寸均一的前驅(qū)體，進一步精確控溫煅燒得到多元空心金屬復(fù)合氧化物，從而使得此法簡單、可調(diào)控