CN101319381A - 低温条件制备高定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在低温条件下合成高度定向的纳米片状Bi2Fe4O9晶体的方法，该方法主要是采用水热制备方法，步骤是以等物质量的Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O溶于稀硝酸中，然后用NaOH水溶液滴定至沉淀完全，过滤并水洗至溶液呈中性；特点是将得到的沉淀溶于浓度为8－20摩尔/升的NaOH水溶液中，并加入H2O2，加入量为2毫升H2O2/40毫升溶液，放入反应釜并在160－200℃条件下反应12－72小时，产物用去离子水和酒精洗涤后，放入烘箱中烘干，得到最后产物即为定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备高度定向生长纳米片状Bi2Fe4O9的方法，特别涉及在低温条件下水热法制备定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9的方法。属于纳米铁电技术范畴。
背景技术
现代功能材料的很多优良性能跟它本身的形貌、微观结构、尺寸、还有晶体结构有很大的关系。微观形貌的控制不单单是对材料的基础研究有用，对材料的运用也有很大的价值[1-4]。Bi2Fe4O9可以运用在半导体器件方面，是一种很重要的半导体气敏元件材料，也是一种氨氧化制备NO的很好的催化剂[5-6]。高度定向生长的Bi2Fe4O9材料又具备很多其他性能，比如优良的磁学性能等等。而今制备Bi2Fe4O9的报道尚很少见，且大部分做的均是采用固态反应制备，而固态反应在反应均匀性和可控性方面完全不能和水热反应相比[7-8]。一些运用水热方法制备的Bi2Fe4O9其实验环境比较苛刻，且未能得到高度定向生长的Bi2Fe4O9，在2006年复旦大学韩建涛等人用水热法在270℃时成功制备出了纯相纳米块状Bi2Fe4O9，但是没有出现材料晶体结构沿某些面有择优生长的趋势[9]，运用水热法在低温条件下制备高度定向的Bi2Fe4O9材料的还尚未见报道。
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发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在远低于270℃温度条件下水热法制备高度定向的Bi2Fe4O9材料的方法。通过调节水热反应参数使得此材料的晶体结构沿某个晶面择优生长，从而优化材料的一些性能。
实现本发明目的的技术方案是：
一种水热法合成定向的纳米片状Bi2Fe4O9晶体的方法，其特征是，以Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O作为反应原料，以NaOH作为水热反应矿化剂，在160-200℃低温条件下，水热反应制备定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
其中，所述的水热反应矿化剂NaOH的溶液浓度范围为8-20摩尔/升。NaOH的溶液浓度低于8摩尔/升时反应产物达不到高定向的要求。高于20摩尔/升时效果增加不明显且碱浓度太高容易腐蚀反应设备。
反应温度低于160℃反应慢，时间长，反应不完全，在200℃反应12小时已经完全，高于200℃效果增加不明显，而且消耗热能多。
所述的水热反应时间为12-72小时。少于12小时反应不完全，在160℃，200℃反应72小时，反应均已完全。
所述的反应原料Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O在反应时是按照等物质的量添加的。各反应原料Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O在水热反应浓度均为12-100毫摩尔/升。低于12毫摩尔/升时不能得到高定向的Bi2Fe4O9。高于100毫摩尔/升时效果变化不明显且浪费反应原料。
具体制备步骤是：
1)、将反应原料Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O以等物质的量的比例(即等摩尔比)溶于稀硝酸中，然后用NaOH水溶液滴定至沉淀完全，抽滤，并用去离子水洗涤沉淀物至洗出溶液呈中性；
2)、将步骤1)得到的洗涤后沉淀物溶于浓度为8-20摩尔/升的NaOH水溶液中，并加入H2O2，加入量为2毫升H2O2/40毫升溶液，然后放入反应釜并在160-200℃条件下反应12-72小时；
3)、将步骤2)得到的产物用去离子水和酒精洗涤后，放入烘箱中烘干，得到的最后产物即为定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
从对产物的XRD图上可以明显发现其晶体结构有沿C轴择优生长的趋势。本发明关键在于控制矿化剂NaOH的浓度在8-20摩尔/升之间。
本发明中所用Bi(NO3)3·5H2O，Fe(NO3)3·9H2O，硝酸，NaOH，H2O2均为市购分析纯试剂。
本发明的有益效果在于：
本发明运用均匀可控的水热法合成了一种高度定向生长的Bi2Fe4O9，通过调节一些水热的反应参数使得此材料的晶体结构沿某个晶面择优生长，从而优化材料的一些性能。本发明的关键在于通过控制调节矿化剂浓度达到使材料择优生长，从而改变材料的性能，实现了材料结构性能的调控。本发明是在160-200℃低温环境下，反应矿化剂浓度可控的水热反应制备出高度定向生长的Bi2Fe4O9纳米片状材料，其可以用来制作性能良好的半导体气敏元件，还可以作为氨氧化制备NO的催化剂。其实现条件在可行性和可控性方面都非常良好。
附图说明
图1是Bi2Fe4O9的实验制备工艺流程图。
图1表明，反应原料Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O以等物质量的比例溶于稀硝酸中，然后用NaOH中和沉淀，抽滤水洗，得到的红色沉淀物溶于NaOH水溶液中，加入H2O2，倒入反应釜加热进行水热反应，取出反应产物，用去离子水和酒精洗涤后，干燥即得到高度定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9粉末产物。
图2是在180℃，矿化剂NaOH浓度为12摩尔/升时制备出的Bi2Fe4O9的XRD图谱，与JCPDF卡片(01-074-1098)对照从其中可以看到其有择优取向，沿c轴方向定向生长。其中(001)晶面的衍射峰值与标准图谱中最强衍射峰晶面的衍射峰值之比可以达到55∶1，强度对比(001)∶(002)∶(003)＝20∶10∶1。
图3是在180℃，矿化剂NaOH浓度为12摩尔/升时制备的Bi2Fe4O9的SEM照片。(a为10000倍，b为20000倍)。
图4是在180℃，矿化剂NaOH浓度为10摩尔/升时制备的Bi2Fe4O9的XRD图谱。
图5是在180℃，矿化剂NaOH浓度为10摩尔/升时制备的Bi2Fe4O9的SEM照片。(c为5000倍，d为20000倍)。
具体实施方式
实施例1
将Bi(NO3)3·5H2O 1.94克(4毫摩尔)和Fe(NO3)3·9H2O 1.616克(4毫摩尔)溶于0.1当量浓度的稀硝酸中，然后用12摩尔/升的NaOH水溶液滴定至沉淀完全，抽滤水洗至溶液呈中性，也洗掉其中的Na+和NO3 -。将得到的沉淀溶于浓度为8摩尔/升的NaOH水溶液中，配成40毫升溶液，其中Bi(NO3)3·5H2O的浓度为100毫摩尔/升，Fe(NO3)3·9H2O的浓度为100毫摩尔/升，加入2毫升H2O2，迅速倒入50毫升的反应釜，在160℃烘箱中放置72小时，取出用去离子水洗涤两次再用酒精洗涤一次放入60℃烘箱中放置4小时，得到最后产物即为高度定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
实施例2
将Bi(NO3)3·5H2O 970毫克(2毫摩尔)和Fe(NO3)3·9H2O 808毫克(2毫摩尔)溶于0.1当量浓度的稀硝酸中，然后用12摩尔/升的NaOH水溶液滴定至沉淀完全，抽滤水洗至溶液呈中性，也洗掉其中的Na+和NO3 -。将得到的沉淀溶于浓度为20摩尔/升的NaOH水溶液中，配成40毫升溶液，其中Bi(NO3)3·5H2O的浓度为50毫摩尔/升，Fe(NO3)3·9H2O的浓度为50毫摩尔/升，加入2毫升H2O2，迅速倒入50毫升的反应釜，在200℃烘箱中放置50小时，取出用去离子水洗涤两次再用酒精洗涤一次放入100℃烘箱中放置2小时，得到最后产物即为高度定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
实施例3
将Bi(NO3)3·5H2O 232.8毫克(0.48毫摩尔)和Fe(NO3)3·9H2O 193.9毫克(0.48毫摩尔)溶于0.1当量浓度的稀硝酸中，然后用12摩尔/升的NaOH水溶液滴定至沉淀完全，抽滤水洗至溶液呈中性，也洗掉其中的Na+和NO3 -。将得到的沉淀溶于浓度为12摩尔/升的NaOH水溶液中，配成40毫升溶液，其中Bi(NO3)3·5H2O的浓度为12毫摩尔/升，Fe(NO3)3·9H2O的浓度为12毫摩尔/升，加入2毫升H2O2，迅速倒入50毫升的反应釜，在180℃烘箱中放置50小时，取出用去离子水洗涤两次再用酒精洗涤一次放入80℃烘箱中放置4小时，得到最后产物即为高度定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
实施例4
将Bi(NO3)3·5H2O 1.552克(3.2毫摩尔)和Fe(NO3)3·9H2O 1.293克(3.2毫摩尔)溶于0.1当量浓度的稀硝酸中，然后用12摩尔/升的NaOH水溶液滴定至沉淀完全，抽滤水洗至溶液呈中性，也洗掉其中的Na+和NO3 -。将得到的沉淀溶于浓度为12摩尔/升的NaOH水溶液中，配成40毫升溶液，其中Bi(NO3)3·5H2O的浓度为80毫摩尔/升，Fe(NO3)3·9H2O的浓度为80毫摩尔/升溶液40毫升，加入2毫升H2O2，迅速倒入50毫升反应釜，在180℃烘箱中放置24小时，取出用去离子水洗涤两次再用酒精洗涤一次放入100℃烘箱中放置2小时，得到最后产物即为高度定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
本实施例的产物Bi2Fe4O9的XRD图谱见图2，Bi2Fe4O9的SEM照片见图3。
实施例5
将Bi(NO3)3·5H2O 582毫克(1.2毫摩尔)和Fe(NO3)3·9H2O 484.8毫克(1.2毫摩尔)溶于0.1当量浓度的稀硝酸中，然后用12摩尔/升的NaOH水溶液滴定至沉淀完全，抽滤水洗至溶液呈中性，也洗掉其中的Na+和NO3 -。将得到的沉淀溶于浓度为10摩尔/升的NaOH水溶液中，配成40毫升溶液，其中Bi(NO3)3·5H2O的浓度为30毫摩尔/升，Fe(NO3)3·9H2O的浓度均为30毫摩尔/升，加入2毫升H2O2，迅速倒入50毫升的反应釜，在180℃烘箱中放置24小时，取出用去离子水洗涤两次再用酒精洗涤一次放入100℃烘箱中放置3小时，得到最后产物即为高度定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
本实施例的产物Bi2Fe4O9的XRD图谱见图4，Bi2Fe4O9的SEM照片见图5。
Claims (4)
1、一种水热法合成定向的纳米片状Bi2Fe4O9晶体的方法，其特征是，以Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O作为反应原料，以NaOH作为水热反应矿化剂，在160-200℃低温条件下，水热反应制备定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
2、如权利要求1所述的水热法合成定向的纳米片状Bi2Fe4O9晶体的方法，其特征是，所述的水热反应矿化剂NaOH的浓度范围为8-20摩尔/升。
3、如权利要求1所述的水热法合成定向的纳米片状Bi2Fe4O9晶体的方法，其特征是制备步骤包括：
1)、将反应原料Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O以等物质量的比例溶于稀硝酸中，然后用NaOH水溶液滴定至沉淀完全，抽滤，并用去离子水洗涤沉淀物至洗出溶液呈中性；
2)、将步骤1)得到的洗涤后沉淀物溶于浓度为8-20摩尔/升的NaOH水溶液中，并加入H2O2，加入量为2毫升H2O2/40毫升溶液，然后放入反应釜并在160-200℃条件下反应12-72小时；
3)、将步骤2)得到的产物用去离子水和酒精洗涤后，放入烘箱中烘干，得到的最后产物即为定向生长的纳米片状Bi2Fe4O9。
4、如权利要求1或3所述的水热法合成定向的纳米片状Bi2Fe4O9晶体的方法，其特征是，所述的反应原料Bi(NO3)3·5H2O和Fe(NO3)3·9H2O在水热反应浓度均为12-100毫摩尔/升。
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