CN103420419A - 水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法,在合成粉体的升温过程中原料是分离开来的,当温度升高到反应温度100-260℃时,将原料混合,反应随之进行,保温的同时旋转反应釜,保温时间在4-48小时。该水热高温混合法合成的二氧化钒粉体的继承了水热法合成二氧化钒粉体的所有的优点,工艺简单、低能耗,而且可以避免水热法在升温过程中中间相杂质的生成,获得纯度更高、结晶性更好的粉体,具有非常广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域,涉及一种水热高温混合合成介稳相VO2(B)、介稳相VO2(A)、稳定的VO2(M)或VO2(R)粉体的方法。
背景技术
自从1959年科学家第一次发现VO2具有相变特性以来,关于VO2的研究就一直受到人们的关注。其中VO2(R)/(M)相的可逆相变是被研究得最早、也是最系统的方向,因为在341K(68℃)时R/M相将发生金属-半导体转变(MST),这种可逆的一级相变不但响应速度快,而且在相变过程中还伴随着电阻率、磁化率、光学透过率的突变,尤其是在红外光波段变化最为明显,并且在众多相变材料中其相变温度最接近室温。因此,它在智能窗、红外隐身及探测、光电子开关、光存储设备等很多方面有着很大的应用价值。
钒元素不但有很多价态(如:+2、+3、+4、+5等等),而且就+4价的VO2而言,它也有很多的同素异型体,如表1所示。其中R,M相是被研究得最多、最全面的结晶相,并且已经得到了很多的实际应用。相比之下,二氧化钒(VO2)的其它同素异型体则没有得到人们足够的重视。研究表明,VO2(B)和VO2(A)都是介稳相。而众所周知,对于一些氧化物(如ZrO2和TiO2)而言,它们的介稳相具有十分突出的性能,对于这些介稳相的研究是具有非常重大的意义的。因此,近些年来VO2(B)的研究逐渐受到了人们的重视。因为,经研究发现VO2(B)不但具有费用低、毒性小、容量大、资源丰富等优势,而且还被证明具有层状结构,可以很好地将锂离子嵌入到层间,因此,它可以做为一个非常有潜力的锂电池阴极材料的理想的替代品,用于电动力汽车和混合动力汽车的动力来源。已有相关研究报道称,采用氧化钒气凝胶方法所合成的纳米纹理的VO2(B)锂电池阴极具有高达500mAh/g的惊人的容量。因此,VO2(B)具有十分重要的应用价值与研究意义。
表1 二氧化钒的同素异形体
Polymorphs | Space Group |
Tetragonal, R | P42/mnm |
Monoclinic, M | P21/C |
Tetragonal, A | P42/ncm |
Monoclinic, B | C2/m |
Tetragonal, C | I4/mmm |
但相比之下,另一种具有层状结构的同素异构体VO2(A)则仍然没有得到人们足够的关注。它不但具有与VO2(B)相似的层状晶体结构,可以作为具有潜力的锂离子电池阴极材料的替代品,而且还发现VO2(A)具有与VO2(R)/(M)相似的相变性质,在相变时其电阻率和光学透过率也会发生突变。因此,VO2(A)具有十分广阔和重要的应用前景与潜力。目前关于VO2(A)的相关文献报道还非常有限,并且目前研究表明只有水热法可以成功合成VO2(A)粉体。其中一个主要原因是VO2(A)的合成条件十分苛刻,在合成过程中很容易便跳过了VO2(A)的合成阶段从而最终形成了其它结晶相。因此,要想得到纯净且结晶性良好的单相VO2(A)粉体是十分有难度的。但考虑到VO2(A)的应用前景与价值,对其进行全面、细致而深入的研究是十分有必要的。
因此,无论是对VO2(A)、VO2(B)还是VO2(R)/(M)而言,都希望能够找到一种有效的合成方法可以得到纯净单一、结晶良好、形貌均匀统一、颗粒细小均匀的粉体,从而提高其应用性能。水热法是制备结晶良好、纯净单一、无团聚的超细粉体的优选方法之一,水热法是在特制的密闭反应容器(高压釜)里,采用水溶液作为反应介质,通过对反应容器加热,创造一个高温、高压反应环境,使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶。对于水热合成粉体(微晶或纳米晶),粉体晶粒的形成经历了“溶解-结晶”两个阶段:水热法制备粉体常采用固体粉末或新配制的凝胶作为前驱物。所谓“溶解”是指在水热反应初期,前驱物微粒之间的团聚和联结遭到破坏,以使微粒自身在水热介质中溶解,以离子或离子团的形式进入溶液,进而成核、结晶而形成晶粒。
与其它方法相比,上述的方法具有如下特点:①水热法可以直接合成结晶良好的粉体,不需高温预烧,避免了在预烧过程中可能形成的粉体硬团聚,合成的粉体结晶良好且分散性好。②粉体晶粒物相和形貌与水热反应条件密切相关,如当反应温度在160-180℃范围内时。得到的是VO2(B),而当温度超过180℃时,则合成的是其它的钒氧化合物。③晶粒线度适度可调。④工艺较为简单,经济实用,过程污染小。⑤纯度较高,由于水热法可抛弃前驱物中的杂质,因而大大提高了纯度。而且粉体后续处理无须煅烧可直接用于加工成型,这就可以避免在煅烧过程中混入杂质。
水热高温混合法是一种水热法的改良。这种高温混合法是利用如图1所示的一种双腔的特制反应釜内衬来实现的。将钒源和还原剂分别置于两个腔中,将反应溶液加热到高温(一般为合成温度),然后再将两种溶液混合,让反应从高温开始。这种方法不但具有普通水热法的所有优势,而且可以避免普通水热法合成多元化合物,出现中间杂相的问题,合成出来的粉体更纯,结晶度更高。
水热法合成一些二氧化钒(VO2)粉体,如介稳相VO2(B)、介稳相VO2(A)、稳定的VO2(M)或VO2(R)粉体,已见报道。但是水热高温混合法合成介稳相VO2(B)、介稳相VO2(A)、稳定的VO2(M)或VO2(R)粉体还未见报道。
发明内容
技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种通过水热高温混合的方法制备得到二氧化钒(VO2)粉体的方法,通过该方法得到的二氧化钒粉体的结晶性、表面形貌及后期的应用性能与现有的二氧化钒粉体相比均有较大提升。
技术方案
为了解决上述的技术问题,本发明提供了以下几种用于水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法的技术方案。
第一种技术方案的用于水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法包括下列步骤:
步骤一:称取V2O5并加入反应釜内衬的一个腔中;
步骤二:称取草酸并加入反应釜内衬的另一个腔中,V2O5与草酸摩尔比为1:3;
步骤三:分别向反应釜的两个腔中加入5 ml去离水;
步骤三:将反应釜密封并置于烘箱中加热升温至160-240℃;
步骤四:将反应釜反转使两个腔中的反应物相混合,并保温1-48h;
步骤五:将反应釜冷却至室温,取出沉淀物,用去离子水和酒精洗涤1-6次,再在80-100℃下干燥10-16h以得到分散性较好的二氧化钒粉体。
该技术方案用于合成介稳相VO2(B)粉体。
第二种技术方案的用于水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法包括下列步骤:
步骤一:称取V2O5并加入反应釜内衬的一个腔中;
步骤二:称取草酸和钨酸并加入反应釜内衬的另一个腔中,V2O5与草酸的摩尔比为1:3,钨酸与V2O5的摩尔百分比为1%-10%;
步骤三;分别向反应釜的两个腔中加入5 ml去离水;
步骤四:将反应釜密封并置于烘箱中加热升温至160-240℃;
步骤五:将反应釜反转使两个腔中的反应物相混合,并保温12-48h;
步骤六:将反应釜冷却至室温,取出沉淀物,用去离子水和酒精洗涤1-6次,再在80-100℃下干燥10-16h以得到分散性较好的二氧化钒粉体。
该技术方案用于合成稳定相VO2(R)/(M)粉体。
第三种技术方案的用于水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法包括下列步骤:
步骤一:称取V2O5并加入反应釜内衬的一个腔中;
步骤二: 称取草酸并加入反应釜内衬的另一个腔中,V2O5与草酸摩尔比为1:3;
步骤三:向步骤一中反应釜内衬的一个腔中加入5-8 ml去离子水;
步骤四:向步骤二中反应釜内衬的另一个腔中加入5-8 ml异丙醇;
步骤五:将反应釜密封并置于烘箱中加热升温至160-240℃;
步骤六:将反应釜反转使两个腔中的反应物相混合,并保温1-48h;
步骤七:将反应釜冷却至室温,取出沉淀物,用去离子水和酒精洗涤1-6次,再在80-100℃下干燥10-16h以得到分散性较好的二氧化钒粉体。
本技术方案的方法通过加入异丙醇提高内衬内部的压力从而实现水热高温混合法一步得到VO2(R)/(M)粉体。
有益效果
水热高温混合法合成介稳相VO2(B)、介稳相VO2(A)、稳定的VO2(M)或VO2(R)粉体继承了水热法合成无铅压电陶瓷粉体所有的优点,工艺简单、低能耗,并且避免了水热法在升温过程中不可避免生成的中间相杂质,获得纯度更高、结晶性更佳、形貌更好的粉体。拥有水热法本身所有的优点,低能耗,无污染,无杂相,具有非常广泛的应用前景。
附图说明
图1是水热高温混合法合成的VO2(A)粉体XRD图谱示意图(其中,草酸与V2O5的摩尔比为3:1,反应温度240℃,保温时间48h);
图2是水热高温混合法合成的VO2(A)粉体SEM图(其中,草酸与V2O5的摩尔比为3:1,反应温度240℃,保温时间48h);
图3是水热高温混合法合成的VO2(A)粉体DSC曲线示意图(其中,草酸与V2O5的摩尔比为3:1,反应温度240℃,保温时间48h)。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例一:
本实施例为一种水热高温混合法合成介稳相VO2(B)粉体的方法。具体步骤为:首先将0.182g的V2O5加入到高温混合水热反应釜内衬的一个腔中,再将0.378g的草酸加入内衬的另一个腔中,然后分别向两个腔中加入5ml去离子水。之后将该反应釜密封后放入到烘箱中加热升温,待温度升到160-240℃时,将反应釜旋转,使反应釜中的两个腔的反应物混合,保温12-48h。反应结束后冷却至室温。最后将获得的沉淀用去离子水和酒精洗涤数次后,在80℃下干燥10h以得到分散性较好的粉体。
实施例二:
本实施例为一种水热高温混合法合成介稳相VO2(A)粉体的方法。具体步骤为:首先将0.182g的V2O5加入到高温混合水热反应釜内衬的一个腔中,再将0.378g的草酸加入内衬的另一个腔中,然后分别向两个腔中加入5ml去离子水。之后将该反应釜密封后放入到烘箱中加热升温,待温度升到240℃时,将反应釜旋转,使反应釜中的两个腔的反应物混合,保温48h。反应结束后冷却至室温。最后将获得的沉淀用去离子水和酒精洗涤数次后,在80℃下干燥10h以得到分散性较好的粉体。
将实施例一或实施例二通过水热高温混合法合成的VO2(B)或VO2(A)粉体放入管式炉中,在Ar气氛保护下600℃退火4h,可以进而得到VO2(R)/(M)粉体。
实施例三:
本实施例为一种水热高温混合法合成稳定相VO2(R)/(M)粉体的方法,通过掺杂从而实现水热高温混合法一步得到VO2(R)/(M)。具体步骤为:首先将0.182g的V2O5加入到高温混合水热反应釜内衬的一个腔中,再将0.378g的草酸和少量(0,2,4,6 atom%)的钨酸加入内衬的另一个腔中,然后分别向两个腔中加入5ml去离子水。之后将该反应釜密封后放入到烘箱中加热升温,待温度升到160-240℃时,将反应釜旋转,使反应釜中的两个腔的反应物混合,保温12-48h。反应结束后冷却至室温。最后将获得的沉淀用去离子水和酒精洗涤数次后,在80℃下干燥10h以得到分散性较好的粉体。
实施例四:
本实施例的方法通过加入异丙醇提高内衬内部的压力从而实现水热高温混合法一步得到VO2(R)/(M)。具体步骤为:首先将0.182g的V2O5加入到高温混合水热反应釜内衬的一个腔中,再将0.378g的草酸加入内衬的另一个腔中,然后将5ml去离子水和5ml异丙醇分别加入到两个不同的腔中(它们的对应关系可调换)或者向两个腔中均加入5ml异丙醇。之后将该反应釜密封后放入到烘箱中加热升温,待温度升到240℃时,将反应釜旋转,使反应釜中的两个腔的反应物混合,保温48h。反应结束后冷却至室温。最后将获得的沉淀用去离子水和酒精洗涤数次后,在80℃下干燥10h以得到分散性较好的粉体。
从如图1所示的XRD图谱中很清晰的看到在此实验条件下合成了VO2(A)粉体,没有出现任何中间产物或杂相,说明合成产物纯度高,并且可以明显看出水热高温混合法所合成的粉体结晶性非常好。如图2的SEM照片所示,合成的粉体的形貌为纳米带状且均匀一致,长度长达几十微米,宽度大约几百纳米,厚度在几十纳米左右。如图3DSC曲线所示,不但在加热过程中观察到了放热峰,而且在冷却过程中也观察到了吸热峰的存在。
Claims (3)
1.一种水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法,其特征在于,包括下列步骤:
步骤一:称取V2O5并加入反应釜内衬的一个腔中;
步骤二:称取草酸并加入反应釜内衬的另一个腔中,V2O5与草酸摩尔比为1:3;
步骤三:分别向反应釜的两个腔中加入5 ml去离水;
步骤三:将反应釜密封并置于烘箱中加热升温至160-240℃;
步骤四:将反应釜反转使两个腔中的反应物相混合,并保温1-48h;
步骤五:将反应釜冷却至室温,取出沉淀物,用去离子水和酒精洗涤1-6次,再在80-100℃下干燥10-16h以得到分散性较好的二氧化钒粉体。
2.一种水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法,其特征在于,包括下列步骤:
步骤一:称取V2O5并加入反应釜内衬的一个腔中;
步骤二:称取草酸和钨酸并加入反应釜内衬的另一个腔中,V2O5与草酸的摩尔比为1:3,钨酸与V2O5的摩尔百分比为1%-10%;
步骤三;分别向反应釜的两个腔中加入5 ml去离水;
步骤四:将反应釜密封并置于烘箱中加热升温至160-240℃;
步骤五:将反应釜反转使两个腔中的反应物相混合,并保温12-48h;
步骤六:将反应釜冷却至室温,取出沉淀物,用去离子水和酒精洗涤1-6次,再在80-100℃下干燥10-16h以得到分散性较好的二氧化钒粉体。
3.一种水热高温混合合成二氧化钒粉体的方法,其特征在于,包括下列步骤:
步骤一:称取V2O5并加入反应釜内衬的一个腔中;
步骤二:称取草酸并加入反应釜内衬的另一个腔中,V2O5与草酸摩尔比为1:3;
步骤三:向步骤一中反应釜内衬的一个腔中加入5-8 ml去离子水;
步骤四:向步骤二中反应釜内衬的另一个腔中加入5-8 ml异丙醇;
步骤五:将反应釜密封并置于烘箱中加热升温至160-240℃;
步骤六:将反应釜反转使两个腔中的反应物相混合,并保温1-48h;
步骤七:将反应釜冷却至室温,取出沉淀物,用去离子水和酒精洗涤1-6次,再在80-100℃下干燥10-16h以得到分散性较好的二氧化钒粉体。
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