CN101219908B - 多元金属氧化物半导体介孔材料及其合成方法 - Google Patents
多元金属氧化物半导体介孔材料及其合成方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种多元金属氧化物半导体介孔材料，通式为AxByOz，A＝Ca、Sr、Ba、Na、K、La、Fe、Ni、Zn、Al、Si等；B＝Ti、Ta、W、Fe、Co、Al、Si、In、Bi等；其中不包括A＝Si同时B＝Al的情况；该介孔材料比表面积在10-1000m2g-1；介孔的孔壁为结晶态，孔径分布在2-50nm之间可调；孔道形状为蠕虫状、六方相、立方相等。合成所述材料的步骤：1)制备无机金属盐溶液；2)制备金属醇盐溶液；3)按比例将两溶液混合搅拌得到透明或半透明溶液；4)将一定量的中性嵌式段表面活性剂加入到上步得到的溶液中，搅拌至澄清；5)将步骤4)得到的含有表面活性剂的溶液烘干，得到干凝胶；6)将干凝胶进行热处理；7)将所得干凝胶焙烧；8)将焙烧后样品在酸性或碱性溶液中除去杂质，调节孔径。
Description
技术领域
本发明涉及一种介孔(中孔)材料合成方法，尤其是多元金属氧化物半导体介孔材料的合成方法。
技术背景
多元金属氧化物材料是由两种或两种以上金属元素构成的氧化物材料。因为其本身独特的物理化学特点，具有铁电、铁磁，压电、介电等半导体性质，被广泛应用于电子电工、催化、光电转换、环境净化、燃料电池等行业。介孔多元金属氧化物材料由于存在介孔孔道结构，能够使原有材料在某种功能上得到提高。1992年，利用模板法合成M41S系列有序介孔SiO2材料的研究工作首次被报道出来，此后多种非Si材料的介孔结构相继被合成出来。目前，介孔材料的研究已经取得了一定的进展，非硅简单金属氧化物介孔材料，主要有Al、Ga、Sn、Sb、Pb，过渡金属(TM：Ti、V、Fe、Mn、Zr、Hf、Nb、Ta、W、V)，Y和稀土等已经被合成。但是到目前为止，多元金属氧化物介孔材料的合成还没有取得显著进展多元金属氧化物介孔材料的合成存在两个困难：一是由于多元金属氧化物中金属元素多为活泼金属和过渡金属，不同金属的水解聚合速度不同，很难控制在同一溶液中在相同时间内完成水解聚合，所以在采用溶剂蒸发自组装的方法时，极易在合成过程中造成相分离，而不能获得金属元素原子级分散的前躯体干凝胶。二是多元金属氧化物材料的快速结晶性，介孔结构与材料结晶性是互相矛盾和制约的。高的结晶性往往导致介孔孔道的融合坍塌，所以获得大比表面积结晶的介孔材料必须严格控制焙烧温度。而这在实际合成中是非常困境的。例如：介孔SrTiO3的结晶温度为610℃而孔道坍塌温度为660℃，并且由于体系的复杂性，不同批次合成的前躯体的结晶温度和孔道坍塌温度也不同。到目前为止，还没有对大多数多元金属氧化物半导体介孔材料合成普遍适用的方法，只有极少数特殊的多元金属氧化物介孔材料被合成，并且合成条件苛刻，所得样品比表面积小，结晶度差。
现有技术中：
CN03111246.3“具有超高水热稳定的有序介孔分子筛材料及其合成方法”：介孔材料是SiO2-Al2O3-MXOY，其中Al/Si＝0～1.0，M/Si＝0～0.05，M＝Fe3+，B3+等，X、Y是满足氧化物化合价的数值；孔壁上硅物种缩合完全，Q4/Q3＝3～7。其合成工艺为调制模板剂——制备原粉——除模板剂。调制模板剂是将氟碳表面活性剂和碳氢表面活性剂混合溶于水，调节pH值小于1或8～10；在160～250℃水热晶化合成原粉。
200410016855.X“一种具有优良电致变色性能的金属氧化物介孔材料及其制备方法”：该类材料的制备过程是：首先将表面活性剂与挥发性有机溶剂均匀混合，然后加入相应的金属醇盐和金属卤化物，搅拌均匀，将混合溶液旋涂于导电玻璃的表面上。再在空气中放置，使有机溶剂挥发，然后焙烧将表面活性剂除去，即得到相应的具有优良电致变色性能的金属氧化物介孔材料。材料的外形为薄膜。该类材料具有有序或者无序的孔道结构、均一的孔径、60-500m2/g比表面和0.1-0.5cm3/g孔体积。
200510086208.0“一种介孔结构Co3O4纳米晶的制备方法”：以具有良好晶型的碱式碳酸钴作为前驱体，利用前驱体中OH-和CO32-在层板和层间均匀分布的结构特点，通过控制焙烧过程，使H2O和CO2小分子可控释放，形成具有介孔结构且孔径均一、比表面积高的Co3O4纳米晶。
200710036694.4“一次性真空灌注合成金属氧化物介孔材料的方法”：以介孔硅/介孔碳为硬模板，在高真空处理后，利用压力差增强毛细管作用，将无机盐或多酸前躯体的溶液一次性灌入到介孔硅/介孔碳的孔道内，浸渍一段时间后，过滤除去多余前躯物，焙烧除去介孔碳，或者焙烧后通过氢氧化钠或氢氟酸处理除去介孔硅即可得金属氧化物介孔材料，孔径分布在2-20nm。
发明内容
本发明目的是：为了解决目前合成多元金属氧化物材料比表面积小，结晶度差和无法合成的困难，提供一种合成多元金属氧化物半导体材料及其合成方法。应用该方法合成的多元金属氧化物半导体介孔材料比表面积在10-1000m2g-1。孔壁为结晶态，孔径分布在2-50nm之间可调。孔道形状为蠕虫状、六方相、立方相等。把依照本发明合成的多元金属氧化物材料做为主体材料，可通过掺杂和表面改性的方法进一步提高原有性能或实现其他功能。
本发明的技术解决方案是：
多元金属氧化物半导体介孔材料通式为AxByOz，A＝Ca、Sr、Ba、Na、K、La、Fe、Ni、Zn、Al、Si、Ga、Ge、In、Sn、Pb、Bi、Ag、Co；B＝Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Fe、Co、Al、Si、In、Bi；x，y，z分别为整数或小数。该介孔材料比表面积在10-1000m2g-1。孔壁为结晶态，孔径分布在2-50nm之间可调。孔道形状为蠕虫状、六方相、立方相等。
1.介孔多元金属氧化物半导体粉末的制备方法
以表面活性剂为模板剂，金属无机盐和醇盐为金属元素前躯体，引入pH调节剂和络合剂实现前躯体溶液中各元素的均匀分散。通过溶剂蒸发自组装方法得到有机无机介孔杂和相，最后将样品在空气中高温焙烧除掉表面活性剂。此外，在上面合成方法的基础上可通过增加某一种金属元素前躯体的量，使焙烧后样品中形成某种过量金属盐作为“硬”模板(区别于传统的以介孔SBA-15为模板，合成纳米材料的硬模板概念)，将硬模板通过酸洗的方法除掉，从而可得到更大比表面积和高结晶性的多元氧化物半导体介孔材料合。具体制备方案如下：
合成方法一：
1)按比例将无机金属盐溶于酸性溶液，加入适量水，在10-100℃搅拌1-24小时。所得溶液记为A溶液。
2)将另一种金属醇盐溶于无水乙醇、异丙醇或丁醇在10-60℃搅拌1-24小时。所得溶液记为B溶液。
3)将B加入A溶液中，剧烈搅拌1-24小时得到透明或半透明溶液。
4)将一地量的表面活性剂加入到上面得到的溶液中，搅拌至澄清。
5)将上面得到的含有表面活性剂的溶液放20-80℃烘箱中烘干，得到干凝胶。
6)将干凝胶进一步在50-150℃下进行热处理1-7天。
7)将得到的干凝胶在200-1000℃空气或保护性气氛下焙烧。
8) 将焙烧后样品在酸性或碱性溶液(包括盐酸、硝酸、硫酸，醋酸，氢氧化钠或氢氧化钾，溶液浓度无要求)中处理除去杂质，及调节孔道直径，得到介孔多元金属氧化物半导体。
合成方法二：
1)将络合剂溶解在一定量水中形成透明溶液，向溶液中加入金属A的无机盐，搅拌1-24小时形成透明A溶液。
2)金属B的醇盐加入到一定量的无水乙醇、异丙醇或丁醇中，10-60℃搅拌
1-24小时形成均匀透明B溶液。
3)将上面两种溶液混合并剧烈搅拌1-24小时。
4)将一地量的表面活性剂加入到上面得到的溶液中，搅拌至澄清。
5)将上面的到的含有表面活性剂的溶液放20-80℃烘箱中烘干，得到干凝胶。
6)将干凝胶进一步在50-150℃下进行热处理1-7天。
7)将得到的干凝胶在200-1000℃空气或保护性气氛下焙烧。
8)将焙烧后样品在酸性或碱性溶液(包括盐酸、硝酸、硫酸，醋酸，氢氧化钠或氢氧化钾，溶液浓度无要求)中处理除去杂质，及调节孔道直径，得到介孔多元金属氧化物半导体。
所述表面活性剂包括中性高分子嵌式段表面活性剂，三嵌段式非离子表面活性剂通式为PEOx-PPOY-PEOz(其中xyz为整数)，如P123、F127等。所述pH调节剂包括醋酸、草酸、硝酸等，所述络合剂包括柠檬酸，三乙胺、乙二醇等。金属无机盐包括碳酸盐、硝酸盐、醋酸盐、氯化物等，金属醇盐包括乙醇盐、异丙醇盐、丁醇盐等。所述合成方法中某一种金属过量定义为Ax/By的物质量比值在1-4之间。例如在合成介孔SrTiO3，BaTiO3时，Sr/Ti或Ba/Ti的物质量之比在1-4之间。多余的金属在焙烧后以碳酸锶(钡)的形式存在，后通过HNO3清洗的方法除掉多余碳酸盐并形成孔道。
2.介孔多元金属氧化物半导体薄膜材料的制备方法
将1中制备的多元金属氧化物半导体粉末通过研磨分散和络合制成浆状物，直接用刮刀法(Doctor Blade Method)将浆状物涂覆在基片，所述分散剂为聚乙烯醇，络合剂为乙酰丙酮各2-4滴。此外可由1中方法一或方法二中第4步得到的溶胶，通过提拉(dip-coating)、浸渍、甩胶(spin-coating)、涂覆的方式得到介孔薄膜。后将得到的未焙烧的介孔薄膜在40-80％湿度，0-40℃条件下陈化，陈化后的薄膜在氨气，热等条件下处理，并按1中步骤7的条件焙烧得到有序介孔多元金属氧化物。其中，提拉速度为6cm/min，转速为300rpm(10s)，1000rpm(3s)。
3.介孔多元金属氧化物半导体材料的掺杂改性合成方法。
在纯相的多元金属氧化物半导体中掺入一定量的金属元素实现材料在功能性的改进，如铁电、压电、催化，能源转换等功能。这些金属包括：碱金属、碱土金属、过渡族金属、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi。采用上述金属的氧化物、氢氧化物、各种无机盐及有机盐类为原料，可以实现掺杂改性，掺杂量为0.1％-10％(质量分数)。制备工艺可由1中方法一或二的步骤3之后4之前加入所要掺杂元素的无机盐或有机醇盐。
4以介孔多元金属氧化物半导体材料的复合材料的制备。
将1和3中所得到的金属氧化物半导体材料进行担载无机金属氧化物，金属或有机物从而改变材料原有性质。
(1)担载(生长)金属或金属氧化物。以1，3制备出的多元金属氧化物半导体材料为主体材料，可以在其表面担载(生长)以下纳米金属颗粒：Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ru、Co、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi，或纳米金属氧化物颗粒：过渡族金属氧化物、Al2O3、Ga2O3、In2O3、GeO2、SnO2、PbO、PbO2、Sb2O3、Sb2O5、Bi2O3、Bi2O4，制备出多元金属氧化物半导体或多元金属氧化物半导体掺杂改性材料为主体材料的复合材料。以含有上述金属元素的可溶性盐类为原料，担载量为1％-10％(质量分数)。具体方法如下：
以1，3制备出的多元金属氧化物半导体材料为主体材料，以Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Ru、Co、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi的可溶性盐类为担载材料的原料，先将这些可溶性盐类溶解配置成一定浓度的溶液，根据担载量(一般按质量分数)量取一定体积的溶液与主体材料一起研磨，可同时借助超声和负压手段，研磨后放置到烘箱中烘干，然后将粉末放置到管式炉中采用合适的气氛处理一定时间，可以得到多元金属氧化物半导体介孔复合材料。
(2)在介孔多元金属氧化物半导体材料的表面和孔道内担载有机功能化试剂。具体实施方法为将1，3中所得到粉末或薄膜样品在有机功能化试剂或其溶液中浸泡，同时借助超声、加热、微波等辅助条件完成有机功能化试剂与多元金属氧化物半导体材料的表面成键。所述有机功能化试剂包括：有机染料，有机胺，巯基化合物，氰基化合物、硅烷化试剂；超声的频率范围是20-100KHz、加热的温度范围是30-60℃、微波的频率范围是2450±10MHz。
本发明的特点是：
1.本发明应用嵌段式表面活性剂利用溶剂蒸发自组装的方法合成多元金属氧化物半导体材料，方法简单，对大多数多元金属氧化物材料适用。
2.本发明中采用加入络合剂的方法抑制溶胶在溶剂蒸发过程中的相分离。从而使干凝胶中金属元素均匀分散。以获得纯相介孔多元金属氧化物半导体材料。
3.首次提出“硬”模板(无机金属盐作为模板，且区别于传统的以介孔SBA-15为模板合成纳米材料的硬模板概念)的概念。过量的某一种金属盐在焙烧过程中由于晶体生长的原因聚积起来形成支撑物，避免多元金属氧化物晶体融合长大，提高了多元金属氧化物介孔结构的热稳定性，保护了介孔孔道不坍塌。当用酸性或碱性溶液处理的时候，“硬”模板被分解提走留下孔道结构。
附图说明
图1是未焙烧介孔SrTiO3的TG-DSC曲线
图2是焙烧后介孔SrTiO3样品的XRD曲线
图3是焙烧后介孔SrTiO3样品的氮气吸附脱附等温线和孔径分布曲线
图4是焙烧后介孔SrTiO3样品的TEM图片
具体实施方式
实验中所用试剂均为分析纯。
实施例1
将0.004molSrCO3溶解在20ml冰醋酸中，加5ml H2O，在超声中加速溶解得到澄清液体，把0.65gP123加入混合液中，搅拌20min，将0.004mol异丙醇钛缓慢的滴加到混合液中，搅拌3小时，将得到的澄清溶液到在培养皿中放40℃烘箱中3天，取出刮下干凝胶。将所得干凝胶在空气中500℃下焙烧5小时，得到多元金属氧化物半导体介孔SrTiO3粉末。
实施例2
将2.95g SrCO3加入到60ml冰醋酸中，加入10ml H2O。加热、过夜搅拌，得到澄清的溶液。将0.02mol钛酸四丁酯加入到16g乙醇中搅拌5小时得到澄清溶液。将后一溶液加入到前面所得溶液中，并剧烈搅拌一小时，后向所得溶液中加入2g表面活性剂(P123)，搅拌2小时，得到澄清的溶液。将该澄清溶液倒在培养皿中，放入40℃烘箱，陈化60小时，后刮下干凝胶，将所得干凝胶在空气中550℃焙烧5小时。得到介孔SrTiO3粉末。
实施例3
将8g柠檬酸加入到10g水中，搅拌得到澄清溶液，加入5ml乙醇。再将2.95gSrCO3加入到上述溶液中，搅拌5小时至澄清。加入0.02mol异丙醇钛搅拌1小时至完全澄清。向所得溶液中加入2g表面活性剂(P123)，搅拌2小时，得到澄清的溶液。将该澄清溶液倒在培养皿中，放入40℃烘箱，陈化60小时，后刮下干凝胶，将所得干凝胶在空气中550℃焙烧5小时。得到介孔SrTiO3粉末。
实施例4
将2.95-8g SrCO3加入到60ml冰醋酸中，加入10ml H2O。加热、过夜搅拌，得到澄清的溶液。将0.02mol钛酸四丁酯加入到16g乙醇中搅拌5小时得到澄清溶液。将后一溶液加入到前面所得溶液中，并剧烈搅拌半小时，后向所得溶液中加入2g表面活性剂(P123)，搅拌2小时，得到澄清的溶液。将该澄清溶液到在培养皿中，放40℃烘箱，陈化60小时，后刮下干凝胶，550℃焙烧5小时。将焙烧后样品用1mol/L硝酸搅拌处理12-24小时，将不溶物离心清洗干燥得到产物。得到介孔SrTiO3粉末。
实施例5
将8g柠檬酸加入到10g水和40ml水的混合物中，搅拌得到澄清溶液。加入5g乙醇再将3.95g BaCO3加入到上述溶液中，搅拌5小时至澄清。加入0.02mol异丙醇钛搅拌1小时至完全澄清。向所得溶液中加入2g表面活性剂(P123)，搅拌2小时，得到澄清的溶液。将该澄清溶液到在培养皿中，放40℃烘箱，陈化60小时，后刮下干凝胶，550℃焙烧5小时。得到介孔BaTiO3粉末。
实施例6
将2.95 SrCO3加入到60ml冰醋酸中，加入10ml H2O。加热、过夜搅拌，得到澄清的溶液。将0.02mol钛酸四丁酯加入到16g乙醇中搅拌5小时得到澄清溶液。将后一溶液加入到前面所得溶液中，并剧烈搅拌半小时，后向所得溶液中加入2g表面活性剂(P123)，搅拌2小时，得到澄清的溶液。将该澄清溶液到在培养皿中，放40℃烘箱，陈化60小时，后刮下干凝胶，550℃焙烧5小时。将焙烧后样品用在氨气中以流量1L/min流量700度焙烧5小时，再用1mol/L硝酸搅拌处理12小时，将不溶物离心清洗干燥得到掺氮介孔SrTiO3。
实施例7
将2.95g SrCO3加入到60ml冰醋酸中，加入10ml H2O。加热、过夜搅拌，得到澄清的溶液。将0.02mol钛酸四丁酯加入到16g乙醇中搅拌5小时得到澄清溶液。将后一溶液加入到前面所得溶液中，并剧烈搅拌半小时，后向所得溶液中加入2g表面活性剂(P123)，搅拌2小时，得到澄清的溶液。使用提拉机将基片浸入到上述溶液中，以每分钟6cm的速度垂直提来的到介孔薄膜。此外通过匀胶机同样可获得介孔薄膜，制备条件：300rpm(10s)，1000rpm(3s)。将未焙烧样品在室温50-80％湿度条件下陈化实现自组装。然后样品经过氨气处理后400度焙烧除去表面活性剂。
实施例8
薄膜的刮刀法(Doctor Blade Method)制备和AgTO2表面涂覆层制备：在制备多元金属氧化物介孔薄膜，取少量实施例1制备的粉体加入聚乙烯醇及乙酰丙酮各2-4滴，混合制成浆状物，直接用刮刀法(Doctor Blade Method)将浆状物涂覆在基片(20mm×20mm)上，在400℃烧结2-5小时可制作出薄膜，称量基片及有薄膜的基片，可以得到薄膜层的重量，约10mg-30mg。
在制备表面涂覆层时，取100mg的实施例1制备的粉体，悬浮于100ml水中或有机溶剂中，将该悬浊液分3-5次全部喷溅在建筑材料表面(1m2)，每喷溅一次进行30分钟的300-1000℃(根据基底材料不同采用不同温度)退火处理一次，最终可以在建筑材料表面制备出AgTO2表面涂覆层
实施例9
在制备以多元金属氧化物介孔复合材料时，取1g实施例1制备的多元金属氧化物半导体材料的表面粉体若干份，根据担载量量取配制好的AgNO3(1g/100ml)，Bi(NO3)3·5H2O(1g/100ml)，Ni(NO3)2·6H2O(1g/100ml)，Zn(NO3)2·6H2O(1g/100ml)，H2PtCl6·6H2O(1g/100ml)或RuCl3·3H2O(1g/100ml)等盐溶液，将多元金属氧化物半导体材料的表面与盐溶液混合研磨半小时，在烘箱中干燥，后将粉末放置到管式炉以300-1200℃(根据上述盐的分解温度不同而使用不同的烧结温度)，在空气气氛中烧结3-12小时，再在氢气还原气氛下烧结3-12小时，得到介孔复合材料。
Claims (1)
1.一种介孔SrTiO3粉末的制备方法，其特征是包括以下步骤：
将2.95-8g SrCO3加入到60ml冰醋酸中，加入10ml H2O；
加热、过夜搅拌，得到澄清的溶液；
将0.02mol钛酸四丁酯加入到16g乙醇中搅拌5小时得到澄清溶液；
将后一溶液加入到前面所得溶液中，并剧烈搅拌半小时后，向所得溶液中加入2g表面活性剂P123，搅拌2小时，得到澄清的溶液；
将该澄清溶液到在培养皿中，放40℃烘箱，陈化60小时，后刮下干凝胶，550℃焙烧5小时；
将焙烧后样品用1mol/L硝酸搅拌处理12-24小时，将不溶物离心清洗干燥得到介孔SrTiO3粉末。
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2007
- 2007-09-21 CN CN200710131900.XA patent/CN101219908B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1560185A (zh) * | 2004-03-10 | 2005-01-05 | 复旦大学 | 一种具有优良电致变色性能的金属氧化物介孔材料及其制备方法 |
| CN1799690A (zh) * | 2006-01-13 | 2006-07-12 | 南京大学 | AgTO2型复合氧化物可见光响应光催化材料及其应用 |
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| CN 1560185 A,说明书第2页第2-7段,第3页第3-4段,第5页实施例5. |
| CN 1560185 A,说明书第2页第2-7段,说明书第3页第3-4段,第5页实施例5. |
| JP特开2001-70802A 2001.03.21 |
| 朱启安等.一种合成纳米SrTiO3 的新方法.湘潭大学自然科学学报29 1.2007,29(1),69-74. |
| 朱启安等.一种合成纳米SrTiO3 的新方法.湘潭大学自然科学学报29 1.2007,29(1),69-74. * |
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| CN101219908A (zh) | 2008-07-16 |
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