CN103643350B - 一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管及其制备方法与应用 - Google Patents
一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管及其制备方法与应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管及其制备方法与应用,该纳米管是由Co3O4纳米颗粒和In2O3纳米颗粒构成,Co3O4纳米颗粒和In2O3纳米颗粒的粒径为10-20nm;该纳米管直径为100-200nm,壁厚为10-50nm。本发明的Co3O4/In2O3异质结构纳米管为空心管状结构,具有良好的可见光催化活性,在可见光照射下,光催化氧化甲基橙的降解,3小时内降解率可达95%,制备方法步骤简单,成本低廉,纳米管的管壁厚度易于控制。
Description
技术领域
本发明涉及氧化物纳米管的制备,具体涉及一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管及其制备方法与应用,属于无机材料领域。
背景技术
一维纳米材料与相应的块体材料相比,由于其优异的物理化学性能而得到广泛的关注,在电子和光学纳米器件,化学和生物传感器、催化、超疏水表面、环境、能源、生物医学领域等诸多领域有着广泛的应用前景。In2O3是一类n型半导体,Co3O4是一种p型半导体,In2O3和Co3O4复合形成p-n异质结构可有利于载流子的分离,提高其光催化活性。目前制备纳米管的方法主要有水热法,如CN100425538等。
近年来静电纺丝技术在制备一维纳米材料领域得到了广泛应用,通过静电纺丝法制备的纳米材料具有长径比大、孔隙率高、比表面积大等优点,被认为是制备纳米纤维最简单有效的方法之一。但现有的静电纺丝技术往往只能制得实心的纳米纤维而非纳米管状材料,如CN101905974、CN102251305。
此外,CN103334179也报道了一种制备中空结构氧化铟纳米纤维的方法,该方法首先采用聚偏氟乙烯纳米纤维为主体,再包裹氧化铟前驱体,最后烧结,从而形成中空结构氧化铟纳米纤维,该方法的缺陷在于工序复杂繁琐,对纳米管状结构的壁厚等不容易控制。
目前,采用静电纺丝技术直接制备Co3O4/In2O3异质结构纳米管,未见相关报道。
发明内容
针对现有技术中的不足,本发明提供了一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管及其制备方法与应用。
本发明的技术方案如下:
一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管,是由Co3O4纳米颗粒和In2O3纳米颗粒构成,Co3O4纳米颗粒和In2O3纳米颗粒的粒径为10-20nm;该纳米管直径为100-200nm,壁厚为10-50nm。
根据本发明,优选的,所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的长度为1-4mm。
根据本发明,优选的,所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管由单层Co3O4纳米颗粒和In2O3纳米颗粒构成;更优选的,Co3O4/In2O3异质结构纳米管的壁厚为15-25nm。
根据本发明,优选的,所述的Co和In的摩尔比为1:(0.5-1.5)。
根据本发明,一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,步骤如下:
(1)将硝酸钴和硝酸铟溶解在由去离子水和无水乙醇组成的混合溶剂中,加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)至粘度为0.1-1.0Pa·S,搅拌均匀,得到可纺性溶胶;
所述的Co和In的摩尔比为1:(0.5-1.5),所述的混合溶剂中去离子水和无水乙醇的体积比为1:(0.5-1.6);所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为4万-300万;
(2)将步骤(1)制得的可纺性溶胶静电纺丝,制得前驱体纤维;
静电纺丝的条件:可纺性溶胶的喷出速率为0.1-1.5mL/h,电压为15-30kV,静电纺丝温度控制在20-35℃;
(3)将步骤(2)制得的前驱体纤维,于50-100℃干燥12-36h,以0.5-2℃/min的速率升温至400-500℃,保温60-120min,再以2-10℃/min的速率升温至600-800℃,保温30-60min,即得Co3O4/In2O3异质结构纳米管。
根据本发明,优选的,步骤(1)中所述的硝酸钴与混合溶剂的摩尔体积比为1:(6-8)mol/L;
优选的,所述的Co和In的摩尔比为1:1,可制备出管壁较薄的Co3O4/In2O3异质结构纳米管;Co和In的摩尔比大于或小于1:(0.5-1.5)则得不到中空纳米管,而是实心纳米纤维或纳米带;
优选的,所述的混合溶剂中去离子水和无水乙醇的体积比为1:1;既可以保证前驱体溶胶中溶质的溶解度最佳,又可以保证溶胶的可纺性最佳;
优选的,所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为100万-150万,更优选130万,可以得到最佳的纳米管状结构;所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量小于4万,则经过最终烧结得到的往往是纳米纤维,很难得到规则的纳米管结构;所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量大于300万,则最终烧结得到的往往是团聚严重的纳米颗粒,而非纳米纤维或纳米管状结构。
根据本发明,优选的,步骤(2)中静电纺丝的条件:可纺性溶胶的喷出速率为1.5mL/h,电压为20kV,静电纺丝温度控制在25-30℃,可以得到直径均匀、结构最佳的中空纳米管;当喷出速率小于0.1mL/h时,喷出的纺丝经烧结得到的纤维直径不均匀,而当喷出速率大于1.5mL/h时,难以得到中空纳米管状结构,最终烧结后得到的产品中掺杂大量颗粒状物质。
根据本发明,静电纺丝可用现有设备进行。优选的,用带不锈钢针头的塑料注射器将可纺性溶胶喷到接收板中静电纺丝,注射器的针头与接收板之间的距离为15-30cm,更优选20cm。
根据本发明,优选的,步骤(3)中以1℃/min的升温速率升温至500℃,保温60min,再以5℃/min的升温速率升温至700-800℃,保温30min。第一次升温和保温过程使得前驱体纤维中的水、有机物等缓慢挥发,纤维形成坚硬的外壳,收缩均匀;避免因升温速率过快使有机物和水挥发过快而造成纤维的断裂,影响产品的整体形貌。第二次升温和保温过程使得剩余的有机物快速分解,纤维结晶化并形成中空管状结构。
本发明将硝酸钴和硝酸铟溶解在由去离子水和无水乙醇组成的混合溶剂中,加入聚乙烯吡咯烷酮得到可纺性溶胶;通过控制可纺性溶胶的流变性和纺丝工艺参数,制备前驱体纤维,然后将前驱体纤维在不同温度下高温煅烧,硝酸钴纳米颗粒和硝酸铟纳米颗粒聚集形成纳米管管壁,得到Co3O4/In2O3异质结构纳米管。
根据本发明,Co3O4/In2O3异质结构纳米管应用于甲基橙的光催化氧化降解。
本发明的有益效果:
1、本发明的Co3O4/In2O3异质结构纳米管为空心管状结构,具有良好的可见光催化活性,在可见光照射下,光催化氧化甲基橙的降解,3小时内降解率可达95%。
2、本发明的制备方法步骤简单,成本低廉,纳米管的管壁厚度易于控制。
3、本发明的制备方法中,较佳的原料搭配使得纳米管易于形成;较佳的纺丝条件使得纳米管直径均匀;较佳的煅烧条件避免了纤维的断裂和大量颗粒状物质的掺杂。
附图说明
图1是本发明实施例1步骤(3)中的前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24小时后所得样品的XRD谱图和在不同温度下烧结处理所得样品的X射线衍射(XRD)谱图。
图2是本发明实施例1制备的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的扫描电镜(SEM)照片。
图3是本发明实施例2制备的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的透射电镜(TEM)照片。
图4是本发明实施例2制备的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的高分辨率透射电镜(HRTEM)照片。
图5是本发明实施例3制备的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的扫描电镜(SEM)照片。
图6是本发明应用例中在λ≥400nm模拟可见光照射下光催化氧化降解甲基橙的吸光度曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明,但仅是作为本发明的实施方案的例子列举,并不对本发明构成任何限制,本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。
实施例中使用的静电纺丝装置为非标静电纺丝机,现有设备,北京华林万众工控科技中心有售。实施例中所用原料均为常规试剂,市购产品,其中:聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K90,重均分子量为130万。
实施例1
一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,步骤如下:
(1)将1.45gCo(NO3)2·6H2O(5mmol)和0.95gIn(NO3)3·4.5H2O(2.5mmol)溶解到16ml去离子水和16ml无水乙醇的混合溶液中,搅拌至完全溶解;加入2.0g聚乙烯吡咯烷酮(PVP),搅拌均匀,得到粘度为0.5Pa·S的可纺性溶胶;
(2)将步骤(1)制得的可纺性溶胶注入静电纺丝装置中,静电纺丝,制得前驱体纤维;
静电纺丝的条件:用带不锈钢针头的塑料注射器将可纺性溶胶喷到接收板中,注射器的针头与接收板之间的距离为20cm,可纺性溶胶的喷出速率为1.5mL/h,电压为20kV,静电纺丝温度控制在25℃;
(3)将步骤(2)制得的前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24h,然后置于高温炉中,以1℃/min的升温速率升至500℃,保温60min,再以2℃/min的速率升至700℃,并保温30min,即得Co3O4/In2O3异质结构纳米管。
本实施例步骤(3)中将前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24h,不烧结,得到的凝胶纤维扫描X射线衍射谱图,如图1-a;
本实施例步骤(3)中将前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24h,以1℃/min的升温速率升温至500℃,并在此温度保温90min,得到的Co3O4/In2O3异质结构纳米管扫描X射线衍射谱图,如图1-b;
本实施例步骤(3)中将前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24h,以1℃/min的升温速率升温至500℃,并在此温度保温60min,再以2℃/min的速率升温至600℃,并保温30min;得到的Co3O4/In2O3异质结构纳米管扫描X射线衍射谱图,如图1-c;
将本实施例得到的Co3O4/In2O3异质结构纳米管扫描X射线衍射谱图,如图1-d;
本实施例步骤(3)中将前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24h,以1℃/min的升温速率升温至500℃,并在此温度保温60min,再以2℃/min的速率升温至800℃,并保温30min;得到的Co3O4/In2O3异质结构纳米管扫描X射线衍射谱图,如图1-e;
由图1可知,在700℃烧结之后,就可得到结晶化较佳的Co3O4(JCPDSNo.43-1003)和立方相In2O3(JCPDSNo.65-1730)异质结构纳米材料。而当前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24h,不烧结,样品为非晶态;随着烧结温度的升高,样品的结晶度提高;而烧结温度达到700℃时,即可得到高结晶态的产物。
将本实施例制备的Co3O4/In2O3异质结构纳米管扫描电子显微镜照片,如图2所示。由图2可知,Co3O4/In2O3异质结构纳米管的直径为100-200nm,表面光滑致密,具有规整的中空截面。
实施例2
一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,步骤如下:
(1)将1.45gCo(NO3)2·6H2O(5mmol)和1.91gIn(NO3)3·4.5H2O(5mmol)溶解到8ml去离子水和8ml无水乙醇的混合溶液中,搅拌至完全溶解;加入1.0g聚乙烯基吡咯烷酮,搅拌均匀,得到粘度为0.5Pa·S的可纺性溶胶;
(2)将步骤(1)制得的可纺性溶胶注入静电纺丝装置中,静电纺丝,制得前驱体纤维;
静电纺丝的条件:用带不锈钢针头的塑料注射器将可纺性溶胶喷到接收板中,注射器的针头与接收板之间的距离为25cm,可纺性溶胶的喷出速率为1.5mL/h,电压为20kV,静电纺丝温度控制在25℃;
(3)将步骤(2)制得的前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24h,然后置于高温炉中煅烧;以1℃/min的升温速率升温至400℃,并在此温度保温60min,再以5℃/min的速率升温至700℃,并保温30min,即得Co3O4/In2O3异质结构纳米管。
所得Co3O4/In2O3异质结构纳米管的TEM和HRTEM照片分别如图3和图4所示,由图3、4可知,Co3O4/In2O3异质结构纳米管直径为100-200nm,壁厚约为20nm,组成纳米管的纳米颗粒粒径约为15-20nm,且所述纳米颗粒为结晶态颗粒;因此,Co3O4/In2O3异质结构纳米管壁由单层纳米颗粒聚集而成。
实施例3
一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,步骤如下:
(1)将0.73gCo(NO3)2·6H2O(2.5mmol)和0.95gIn(NO3)3·4.5H2O(2.5mmol)溶解到11ml去离子水和5ml无水乙醇的混合溶液中,搅拌至完全溶解;加入1.0g聚乙烯基吡咯烷酮,搅拌均匀,得到粘度为0.31Pa·S的可纺性溶胶;
(2)将步骤(1)制得的可纺性溶胶注入静电纺丝装置中,静电纺丝,制得前驱体纤维;
静电纺丝的条件:用带不锈钢针头的塑料注射器将可纺性溶胶喷到接收板中,注射器的针头与接收板之间的距离为25cm,可纺性溶胶的喷出速率为1.5mL/h,电压为20kV,静电纺丝温度控制在25℃;
(3)将步骤(2)制得的前驱体纤维在60℃干燥箱中干燥24h,然后置于高温炉中煅烧,以1℃/min的升温速率升温至500℃,并在此温度保温60min,再以2℃/min的速率升温至700℃,并保温30min,即得Co3O4/In2O3异质结构纳米管。
所得Co3O4/In2O3异质结构纳米管的SEM照片如图5所示,由图5可知,本实施例所得Co3O4/In2O3异质结构纳米管直径为100-200nm,壁厚约为20nm。
实施例4
一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,步骤如下:
(1)将0.73gCo(NO3)2·6H2O(2.5mmol)和1.425gIn(NO3)3·4.5H2O(3.75mmol)溶解到8ml去离子水和12ml无水乙醇的混合溶液中,搅拌至完全溶解;加入2.2g聚乙烯基吡咯烷酮,搅拌均匀,得到粘度为1.0Pa·S的可纺性溶胶;
(2)将步骤(1)制得的可纺性溶胶注入静电纺丝装置中,静电纺丝,制得前驱体纤维;
静电纺丝的条件:用带不锈钢针头的塑料注射器将可纺性溶胶喷到接收板中,注射器的针头与接收板之间的距离为25cm,可纺性溶胶的喷出速率为1.5mL/h,电压为20kV,静电纺丝温度控制在25℃;
(3)将步骤(2)制得的前驱体纤维在80℃干燥箱中干燥18h,然后置于高温炉中煅烧,以0.5℃/min的升温速率升温至500℃,并在此温度保温80min,再以5℃/min的速率升温至700℃,并保温40min,即得Co3O4/In2O3异质结构纳米管。
实施例5
(1)将0.73gCo(NO3)2·6H2O(2.5mmol)和0.95gIn(NO3)3·4.5H2O(2.5mmol)溶解到8ml去离子水和8ml无水乙醇的混合溶液中,搅拌至完全溶解;加入1.0g聚乙烯基吡咯烷酮,搅拌均匀,得到粘度为0.5Pa·S的可纺性溶胶;
(2)将步骤(1)制得的可纺性溶胶注入静电纺丝装置中,静电纺丝,制得前驱体纤维;
静电纺丝的条件:用带不锈钢针头的塑料注射器将可纺性溶胶喷到接收板中,注射器的针头与接收板之间的距离为20cm,可纺性溶胶的喷出速率为1.0mL/h,电压为25kV,静电纺丝温度控制在25℃;
(3)将步骤(2)制得的前驱体纤维在100℃干燥箱中干燥12h,然后置于高温炉中煅烧,以2℃/min的升温速率升温至500℃,并在此温度保温90min,再以10℃/min的速率升温至800℃,并保温60min,即得Co3O4/In2O3异质结构纳米管。
应用例
将实施例2制备的Co3O4/In2O3异质结构纳米管光应用于甲基橙的光催化氧化降解,所用的模拟光源为500W的氙灯,甲基橙溶液的浓度为20mg/L,步骤如下:
首先把0.12g实施例2制备的Co3O4/In2O3异质结构纳米管加入到40ml的甲基橙溶液中,然后放于暗箱中磁力搅拌30min;打开模拟光源,每隔30min取4ml溶液,离心分离取上层清液,用UV-2550分光光度计测试其在最高峰处(464nm)的吸光度,并按公式(I)计算光催化氧化降解效率。
公式(I):
η=[(A0-At)/A0]×100%,
式(I)中,A0为溶液首次测得的吸光度,At为t时间测得的吸光度,测试结果如图5所示,图5中曲线a、b、c、d、e、f、g分别为t=0、t=0.5h、t=1h、t=1.5h、t=2h、t=2.5h、t=3h的吸光度曲线。
由图5可知,Co3O4/In2O3异质结构纳米管具有良好的可见光光催化性能;在λ≥400nm的可见光照射下,光催化氧化降解甲基橙,3小时内降解率可达95%。
Claims (10)
1.一种Co3O4/In2O3异质结构纳米管,其特征在于该纳米管是由Co3O4纳米颗粒和In2O3纳米颗粒构成,Co3O4纳米颗粒和In2O3纳米颗粒的粒径为10-20nm;该纳米管直径为100-200nm,壁厚为10-50nm;所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管由单层Co3O4纳米颗粒和In2O3纳米颗粒构成,所述的Co和In的摩尔比为1:(0.5-1.5)。
2.根据权利要求1所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管,其特征在于所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的长度为1-4mm。
3.根据权利要求1所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管,其特征在于所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的壁厚为15-25nm。
4.一种权利要求1-3任一项所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,步骤如下:
(1)将硝酸钴和硝酸铟溶解在由去离子水和无水乙醇组成的混合溶剂中,加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)至粘度为0.1-1.0Pa·S,搅拌均匀,得到可纺性溶胶;
所述的Co和In的摩尔比为1:(0.5-1.5),所述的混合溶剂中去离子水和无水乙醇的体积比为1:(0.5-1.6);所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为4万-300万;
(2)将步骤(1)制得的可纺性溶胶静电纺丝,制得前驱体纤维;
静电纺丝的条件:可纺性溶胶的喷出速率为0.1-1.5mL/h,电压为15-30kV,静电纺丝温度控制在20-35℃;
(3)将步骤(2)制得的前驱体纤维,于50-100℃干燥12-36h,以0.5-2℃/min的速率升温至400-500℃,保温60-120min,再以2-10℃/min的速率升温至600-800℃,保温30-60min,即得Co3O4/In2O3异质结构纳米管。
5.根据权利要求4所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,其特征在于步骤(1)中所述的硝酸钴与混合溶剂的摩尔体积比为1:(6-8)mol/L;所述的Co和In的摩尔比为1:1。
6.根据权利要求4所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,其特征在于步骤(1)中所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为100万-150万。
7.根据权利要求4所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,其特征在于步骤(1)中所述的聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为130万。
8.根据权利要求4所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,其特征在于步骤(2)中静电纺丝的条件:可纺性溶胶的喷出速率为1.5mL/h,电压为20kV,静电纺丝温度控制在25-30℃。
9.根据权利要求4所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管的制备方法,其特征在于步骤(3)中以1℃/min的升温速率升温至500℃,保温60min,再以5℃/min的升温速率升温至700-800℃,保温30min。
10.权利要求1-3任一项所述的Co3O4/In2O3异质结构纳米管在甲基橙的光催化氧化降解中的应用。
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US20130150763A1 (en) * | 2011-12-07 | 2013-06-13 | Esmaeil Mirzaei | Electro spun nanofibrous wound dressing and a method of synthesizing the same |
CN103334179A (zh) * | 2013-04-27 | 2013-10-02 | 青岛大学 | 一种中空结构氧化铟纳米纤维的制备方法 |
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2013
- 2013-12-19 CN CN201310705432.8A patent/CN103643350B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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CN103643350A (zh) | 2014-03-19 |
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