CN103539204A - 一种树状结构KxNa1-xNbO3纳米晶体及其制备方法 - Google Patents

一种树状结构KxNa1-xNbO3纳米晶体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于纳米光学材料领域，提供了一种树状结构KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，包括步骤：在室温下，称取定量的铌粉，放入一定浓度的尿素溶液中，搅拌均匀后进行水热反应，冷却后进行冲洗，干燥后进行煅烧，得到五氧化二铌纳米线。称取KOH、NaOH、H2O和五氧化二铌纳米线，充分混合均匀后进行水热反应，处理后得到树状KxNa1-xNbO3纳米晶体。本发明还提供一种树状结构KxNa1-xNbO3纳米晶体。

Description

一种树状结构KxNa1-xNbO3纳米晶体及其制备方法
技术领域
本发明涉及树状结构纳米光学材料的制备方法，尤其涉及一种可应用于纳米光子集成电路、生物成像技术之中的KxNa1-xNbO3晶体的制备方法。
背景技术
树状结构通常是在自然界中发现的，如雪花和珊瑚。他们可以为研究自然界无序体系提供了框架。这些奇妙的结构吸引了众多研究人员在化学、物理和材料科学理论开展了相关的研究。由于其有趣的形态，结晶行为和潜在的应用，树枝状结构的结晶近年来备受关注。
KxNa1-xNbO3具有大的非线性极化率，高光折变系数和良好的压电性能，是非线性光学和电光器件最有前景的材料之一，Zhang等通过溶胶凝胶法，然后在高温下煅烧合成了棒状单晶KNN。Xu等采用水热过程及后期热处理过程合成了均匀的KxNa1-xNbO3纳米棒。Zhou等人利用阳极氧化铝模板采用溶胶凝胶方法合成了KxNa1-xNbO3纳米管阵列。Xu等人基于熔融盐法合成的单晶的KxNa1-xNbO3纳米棒，然而，目前还没有KxNa1-xNbO3树状结构制备的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种采用水热过程来制备树状结构KxNa1-xNbO3晶体的制备方法，该方法具有反应温度低，成本低的优点。该制备方法包括如下步骤：
步骤一：在室温下，按摩尔比1:10～1:20称取铌粉和尿素溶液，搅拌均匀，进行水热反应，冷却到室温后，进行冲洗干燥后得到NH4Nb3O8纳米线；
步骤二:称取所述NH4Nb3O8纳米线，进行煅烧得到五氧化二铌纳米线；
步骤三：称取KOH、NaOH、H2O和所述五氧化二铌纳米线，所述氢氧化钾和氢氧化钠总量与五氧化二铌纳米线的摩尔比200:1～400:1，氢氧化钠与氢氧化钾的摩尔比99:1～1:1，氢氧化钾和氢氧化钠总量与水的摩尔比1:4～1:6，充分混合成均匀混合物后，进行水热反应，冷却到室温后，进行冲洗干燥后得到树状KxNa1-xNbO3纳米晶体。
本发明还提供一种采用所述树状结构KxNa1-xNbO3的制备方法制备的KxNa1-xNbO3树状结构晶体。
本发明采用水热法制备了树状结构KxNa1-xNbO3晶体，该材料具有良好的非线性光学性能，在电光调制器、电光偏转器、压电换能器等光电器件领域有广泛的应用前景。本发明的制备方法的有益效果是：反应温度低、可重复性好、成本低。
附图说明
图1为本发明制备的树状结构KxNa1-xNbO3的X射线衍射图。
图2为本发明制备的树状结构KxNa1-xNbO3的扫描电镜照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种树状结构KxNa1-xNbO3晶体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤一：在室温下，按摩尔比1:10～1:20称取铌粉和尿素溶液，搅拌均匀；进行水热反应，冷却到室温后，进行水洗，过滤，滤出物用蒸馏水洗至中性后用乙醇冲洗，过滤，滤出物干燥后得到NH4Nb3O8纳米线；
步骤二:称取所述NH4Nb3O8纳米线，进行煅烧得到五氧化二铌纳米线；
步骤三：称取KOH、NaOH、H2O和所述五氧化二铌纳米线，所述氢氧化钾和氢氧化钠总量与五氧化二铌纳米线的摩尔比200:1～400:1，氢氧化钠与氢氧化钾的摩尔比99:1～1:1，氢氧化钾和氢氧化钠总量与水的摩尔比1:4～1:6，充分混合成均匀混合物后，进行水热反应，冷却到室温后，进行水洗，过滤，滤出物用蒸馏水洗至中性后用乙醇冲洗，过滤，滤出物干燥后得到树状KxNa1-xNbO3纳米晶体。
在步骤一中：在室温下，按摩尔比1:10～1:20称取铌粉和尿素溶液，搅拌均匀；尿素的浓度在1-4M,进行水热反应，所述水热反应温度为150～180℃，反应时间为2～7天,冷却到室温后，进行水洗，过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后用乙醇冲洗，在60～100℃下干燥5～12小时得到NH4Nb3O8纳米线。
在步骤二中，称取所述NH4Nb3O8纳米线，煅烧1～3小时，获得五氧化二铌纳米线。在煅烧时，所述混合物放入陶瓷坩锅中，并且在马弗炉中煅烧，所述马弗炉内温度为400～550℃。
在步骤三中，混合物移入具有聚四氟乙烯内衬的高压釜中，进行水热反应，冷却到室温后，进行水洗，过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后用乙醇冲洗，在60～100℃下干燥5～12小时，获得K0.1Na0.9NbO3晶体。所述充分混合为采用超声分散1～2小时。所述水热反应温度为150～180℃，反应时间为2～7天。
请参阅图1，2θ值为22.51°,32.18°,44.84°,46.23°,52.45°,57.91°,67.77°,72.52°,77.08°分别对应KNbO3晶体(200)，(004),(220),（002），(240),（242），（044），（442），（260）晶面的衍射峰，说明获得的晶体为K0.1Na0.9NbO3晶体。
图2为本实施例制备晶体的扫描电镜照片，由图2可以看出K0.1Na0.9NbO3晶体发育完整，K0.1Na0.9NbO3晶体为树状结构，主干的直径为1μm，长度为5-10μm，分支直径为100～200nm，长为500nm。
本发明采用水热法制备了树状结构KxNa1-xNbO3晶体，该材料具有良好的光学性能，在纳米光电器件、光波导等领域有广泛的应用前景。
下面，具体用实施例说明本技术方案提供的树状结构KxNa1-xNbO3晶体的制备方法。
实施例1
在室温下（10-40℃），称取0.3g铌粉和2M尿素35ml,磁力搅拌0.5小时混合成混合物，混合物移入50ml具有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，150℃水热反应20天，冷却到室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4μm滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100℃下干燥6小时，得到NH4Nb3O8纳米线。将所得到的NH4Nb3O8纳米线，在450℃马弗炉中煅烧2小时，进行煅烧得到五氧化二铌纳米线;分别称取0.2000g五氧化二铌纳米线，2.9022g KOH,11.7470g NaOH、放入30.45ml水中，磁力搅拌30分钟，充分混合成混合物，混合物移入50ml具有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，150℃水热反应2天，冷却到室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4μm滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100℃下干燥6小时，树状结构KxNa1-xNbO3晶体。所用的铌粉、氢氧化钾、氢氧化钠、尿素和乙醇为分析纯，水为蒸馏水或去离子水。
实施例2
在室温下（10-40℃），称取0.2g铌粉和1.5M尿素35ml,磁力搅拌0.5小时混合成混合物，混合物移入50ml具有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，150℃水热反应20天，冷却到室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4μm滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100℃下干燥6小时，得到NH4Nb3O8纳米线。将所得到的NH4Nb3O8纳米线，在550℃马弗炉中煅烧2小时，进行煅烧得到五氧化二铌纳米线;分别称取0.2500g五氧化二铌纳米线，14.5110g KOH,5.8715g NaOH、放入30.45ml水中，磁力搅拌30分钟，充分混合成混合物，混合物移入50ml具有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，150℃水热反应7天，冷却到室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4μm滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100℃下干燥6小时，树状结构KxNa1-xNbO3晶体。所用的铌粉、氢氧化钾、氢氧化钠、尿素和乙醇为分析纯，水为蒸馏水或去离子水。
实施例3
在室温下（10-40℃），称取0.15g铌粉和1.5M尿素35ml,磁力搅拌0.5小时混合成15天，冷却到室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4μm滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100℃下干燥6小时，得到NH4Nb3O8纳米线。将所得到的NH4Nb3O8纳米线，在550℃马弗炉中煅烧2小时，进行煅烧得到五氧化二铌纳米线;分别称取0.2500g五氧化二铌纳米线，14.5110g KOH,5.8715g NaOH、放入30.45ml水中，磁力搅拌30分钟，充分混合成混合物，混合物移入50ml具有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，170℃水热反应5天，冷却到室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4μm滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100℃下干燥6小时，树状结构KxNa1-xNbO3晶体。所用的铌粉、氢氧化钾、氢氧化钠、尿素和乙醇为分析纯，水为蒸馏水或去离子水。
实施例4
在室温下（10-40℃），称取0.6g铌粉和1.5M尿素35ml,磁力搅拌0.5小时混合成15天，冷却到室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4μm滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100℃下干燥6小时，得到NH4Nb3O8纳米线。将所得到的NH4Nb3O8纳米线，在550℃马弗炉中煅烧2小时，进行煅烧得到五氧化二铌纳米线;0.2000g五氧化二铌纳米线，1.3011g KOH,13.4470gNaOH、放入30.00ml水中，磁力搅拌30分钟，充分混合成混合物，混合物移入50ml具有聚四氟乙烯内衬的水热釜中，180℃水热反应3天，冷却到室温后，用蒸馏水洗涤，然后用滤孔直径是0.4μm滤膜过滤，滤出物用蒸馏水洗至pH值等于7后，在100℃下干燥6小时，树状结构KxNa1-xNbO3晶体。所用的铌粉、氢氧化钾、氢氧化钠、尿素和乙醇为分析纯，水为蒸馏水或去离子水。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤： 
步骤一：在室温下，按摩尔比1:10～1:20称取铌粉和尿素溶液，搅拌均匀；进行水热反应，冷却到室温后进行冲洗，干燥后得到NH4Nb3O8纳米线； 
步骤二:称取所述NH4Nb3O8纳米线，进行煅烧得到五氧化二铌纳米线； 
步骤三：称取KOH、NaOH、H2O和所述五氧化二铌纳米线，所述氢氧化钾和氢氧化钠总量与五氧化二铌纳米线的摩尔比200:1～400:1，氢氧化钠与氢氧化钾的摩尔比99:1～1:1，氢氧化钾和氢氧化钠总量与水的摩尔比1:4～1:6，充分混合成均匀混合物后，进行水热反应，冷却到室温后进行冲洗，得到树状KxNa1-xNbO3纳米晶体。 
2.如权利要求1所述的树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：在步骤一中和步骤三中所述水热反应均在具有聚四氟乙烯内衬的高压釜中进行。 
3.如权利要求1所述的树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：在步骤一中和步骤三中的冲洗过程为：水洗，过滤，滤出物用蒸馏水洗至中性后用乙醇冲洗，过滤，滤出物干燥。 
4.如权利要求1或2或3所述的树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：步骤一中所述尿素溶液浓度为1～4M；水热反应温度为200～220℃，反应时间为15～20天。 
5.如权利要求1或2或3所述的树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：步骤三中所述水热反应温度为150-180℃，反应时间为2～7天。 
6.如权利要求1所述的树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：步骤一中所述的搅拌为磁力搅拌，搅拌时间为0.5～2小时。 
7.如权利要求1所述的树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：在步骤二中，所述NH4Nb3O8纳米线是放入陶瓷坩锅中，并且在马弗炉中 煅烧，所述马弗炉内煅烧温度为400～550℃，煅烧时间为1～3小时。 
8.如权利要求1所述的树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：在步骤三中所述充分混合为采用超声分散仪混合，反应时间为1～2小时。
9.如权利要求1所述的树状KxNa1-xNbO3纳米晶体的制备方法，其特征在于：在步骤一和步骤三中，所述干燥反应的温度为60～100℃，干燥时间为5～12小时。 
10.一种树状KxNa1-xNbO3纳米晶体，采用如权利要求1至8任一项所述的制备方法制成； 
其特征在于，所述晶体为树状，晶体由主干和分支组成，部分分支相互平行且垂直主干，主干的直径为1～1.5μm，长度为5～10μm，分支直径为100～200nm，长500nm。 
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