CN103787418A - 一种制备纳米片组装的wo3·h2o空心球的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功能纳米材料领域,具体为一种制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法。本发明通过将草酸和钨酸盐溶于水中,加入丙醇得到混合溶剂的溶液,再加入强酸,在反应釜中恒温反应,得到沉淀物;用乙醇和水洗涤干燥后得到WO3·H2O粉末。本发明所采用的试剂体系与反应条件可制备纳米片组装的WO3·H2O空心球,分散性良好,尺寸均一,空心程度好。整个过程没有使用模板,有效避免了模板法制备中残留杂质的问题,制备过程简单,可控性高,使得本方法具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于功能纳米材料领域,具体为一种制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法。
背景技术
WOx(x≤3)是一类被广泛研究的功能材料,因其独特的物理化学性质,在电致变色器件、染料敏化太阳能电池、光催化、光记录器件、传感、场发射、高温超导等领域有着广泛的应用。材料的使用性能与其结构和形貌有很大的关系,WO3·H2O是通过液相合成WOx的一种中间体材料,本身也是重要的半导体材料,其形貌和结构是决定WOx形貌和结构的重要因素,也就间接地决定了WOx的性能。因此,制备具有特殊结构的WO3·H2O具有很重要的意义。空心球因其独特的结构(如:低密度,高表面/体积比,空腔、良好的通透性)和在光电传输方面独特的性质(如:高的光捕获能力,特殊的电子传输路径)而备受关注。而纳米片因为其二维结构也备受材料研究者的关注。因此,纳米片组装的WO3·H2O空心球在很多领域可能会表现出独特的性能。
液相制备空心球的方法一般分为模板法和无模板法。以往通过钨酸铅、钨酸锶、钨酸钙等难溶盐的实心球作为模板制备WO3·H2O空心球,但这种方法的缺点在于模板难以完全去除干净,最后得到的空心球中往往有难溶盐的杂质。近年来,一种无模板制备空心球的方法得到了发展。这种方法基于水热或溶剂热条件下的奥斯特瓦尔德熟化机制。其基本思想是在一定的溶液环境中,金属离子的前驱体水解形成球形的团聚体,然后经历奥斯特瓦尔德熟化过程由实心球转变为空心球。整个过程没有模板的存在,也就最大程度地减少了杂质离子,可以获得高纯度的目标产物的空心球。这种机制已经成功应用在多种无机功能材料的空心球的制备中,但对于每一种材料来说,具体的制备条件又各不相同。对于WO3·H2O来说,要想应用这种机制制备出空心球,溶剂的选择,络合剂与钨酸盐以及熟化剂的用量配比等等具体条件非常重要。这些条件不但影响能不能得到空心球结构,还影响所得空心球的分散性、尺寸均一性、空心程度等。
为了制备出高纯度的、分散性、尺寸均一性、空心程度等都良好的WO3·H2O空心球,发明一种基于熟化机制的制备方法非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,避免模板法制备中残留杂质的问题。
本发明采用如下的技术方案:
一种制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,包括如下的步骤和工艺条件:
(1)在磁力搅拌下,将草酸和钨酸盐溶于水中,草酸与钨酸盐摩尔浓度比为(1.5-2.5):1;
(2)向步骤(1)的水溶液中加入丙醇,所加入的丙醇与水溶液的体积比范围为(1-1.3):1,形成丙醇/水混合溶剂的溶液;
(3)向步骤(2)的溶液中加入强酸,钨酸盐与强酸摩尔浓度比范围为1:(20-50);
(4)将步骤(3)的溶液导入反应釜中在温度50-100℃下恒温反应时间至少6h,得到沉淀物;
(5)将步骤(4)的沉淀物分别用乙醇和水洗涤干净,干燥后得到WO3·H2O粉末。
所述的步骤(1)中,钨酸盐为钨酸钠或钨酸钾。
所述的步骤(1)中,草酸与钨酸盐摩尔浓度比优选为2:1。
所述的步骤(2)中,所加入的丙醇与水溶液的体积比优选为1.2:1。
所述的步骤(3)中,强酸为盐酸、硝酸或硫酸。
所述的步骤(3)中,当强酸为盐酸或硝酸时,钨酸盐与强酸摩尔浓度比范围为1:(40-50)。
所述的步骤(3)中,当强酸为硫酸时,钨酸盐与硫酸摩尔浓度比范围为1:(20-25)。
所述的步骤(4)中,恒温反应时间优选为6-24h。
采用本发明制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,所得WO3·H2O为纳米片组装的空心球,分散性良好,尺寸均一,空心程度良好,空心球壳厚度均匀。
本发明设计原理如下:
本发明通过草酸与钨离子络合形成络离子,在丙醇与水混合溶剂中,络离子水解成片状微晶并团聚形成实心球,随后在强酸熟化剂的作用下发生奥斯特瓦尔德熟化,使得实心球空心化,形成空心球。草酸是使得WO3·H2O长成纳米片的关键,丙醇与水混合溶剂是使得空心球分散性良好、尺寸均一以及空心程度强的关键,强酸是使得实心球熟化为空心球的关键。
本发明具有如下的优点以及技术效果:
1.本发明成功地应用熟化机制制备出了WO3·H2O空心球,属于无模板法,避免了模板法所带来的杂质。
2.本发明采用草酸络合剂使得WO3·H2O长成纳米片装,空心球是由纳米片组装而成的。
3.本发明采用丙醇与水混合溶剂,使得WO3·H2O空心球分散性良好,尺寸均一,空心程度强。
总之,本发明通过将草酸和钨酸盐溶于水中,加入丙醇得到混合溶剂的溶液,再加入强酸,在反应釜中恒温反应,得到沉淀物。用乙醇和水洗涤干燥后,得到WO3·H2O粉末。本发明所采用的试剂体系与反应条件,可制备纳米片组装的WO3·H2O空心球,分散性良好,尺寸均一,空心程度好。
附图说明
图1(a)为本发明实施例1制备的WO3·H2O空心球的SEM照片;
图1(b)为本发明实施例1制备的WO3·H2O空心球的TEM照片;
图1(c)为本发明实施例1制备的WO3·H2O空心球的XRD谱图;
图2为本发明实施例2制备的WO3·H2O空心球的TEM照片。
图3为本发明实施例3制备的WO3·H2O空心球的TEM照片。
具体实施方式
本发明制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,包括如下的步骤和工艺条件:
(1)在磁力搅拌下,将草酸和钨酸盐溶于水中,钨酸盐为钨酸钠或钨酸钾,草酸与钨酸盐摩尔浓度比为(1.5-2.5):1,优选为2:1;
(2)向步骤(1)的水溶液中加入丙醇,丙醇与水溶液的体积比范围为(1-1.3):1,优选为1.2:1,形成丙醇/水混合溶剂的溶液;
(3)向步骤(2)的溶液中加入强酸,强酸为盐酸或硝酸或硫酸;
当强酸为盐酸或硝酸时,钨酸盐与强酸摩尔浓度比范围为1:(40-50);
当强酸为硫酸时,钨酸盐与硫酸摩尔浓度比范围为1:(20-25);
(4)将步骤(3)的溶液导入反应釜中在温度50-100℃下恒温反应时间至少6h(优选为6-24h),得到沉淀物;
(5)将步骤(4)的沉淀物分别用乙醇和水洗涤干净,干燥后得到WO3·H2O粉末。所得WO3·H2O为纳米片组装的空心球,分散性良好,尺寸均一,空心程度良好,空心球壳厚度均匀。
下面通过实施例对本发明的具体实施方式进一步详细描述。
实施例1
在磁力搅拌下,将1mmol草酸和0.5mmol钨酸钠加入30mL水中,将36mL丙醇加入上述水溶液中,形成丙醇与水混合溶剂,再将24mmol盐酸加入上述混合溶剂溶液,将所得溶液导入90mL容积的聚四氟乙烯内衬的反应釜中,在100℃下保温6小时,得到沉积物。然后,将所得沉积物分别用乙醇和水洗涤数遍,使沉积物上没有残留物,干燥后得到WO3·H2O粉末,样品记为A。
采用德国卡尔蔡司公司Leo-Supra55型扫描电子显微镜和日本电子2100型透射电子显微镜观察得到样品的形貌结构,如图1(a)、(b)所示分别为样品的SEM、TEM照片。结果可见,所得WO3·H2O为纳米片组装的空心球,分散性良好,尺寸均一,其直径约为2μm;空心程度良好,空心球壳厚度均匀,其厚度约为200nm。
采用日本Rigaku公司D/MAX-2004型X射线衍射仪对得到的样品进行XRD分析。如图1(c)所示为样品的XRD谱图,XRD谱图显示样品的晶相为WO3·H2O。
实施例2
与实施例1不同之处在于,在磁力搅拌下,将1mmol草酸和0.5mmol钨酸钾加入30mL水中,将36mL丙醇加入上述水溶液中,形成丙醇与水混合溶剂,再将12mmol硫酸加入上述混合溶剂溶液,将所得溶液导入90mL容积的聚四氟乙烯内衬的反应釜中,在50℃下保温24小时,得到沉积物。然后,将所得沉积物分别用乙醇和水洗涤数遍,使沉积物上没有残留物,干燥后得到WO3·H2O粉末,样品记为B。
采用与实施例1相同的透射电子显微镜观察样品形貌,如图2为样品的TEM照片。结果可见,所得WO3·H2O为纳米片组装的空心球,其直径约为1.8μm;空心程度良好,空心球壳厚度约为170nm。
实施例3
与实施例1不同之处在于,在磁力搅拌下,将1mmol草酸和0.5mmol钨酸钾加入32mL水中,将36mL丙醇加入上述水溶液中,形成丙醇与水混合溶剂,再将20mmol硝酸加入上述混合溶剂溶液,将所得溶液导入90mL容积的聚四氟乙烯内衬的反应釜中,在70℃下保温10小时,得到沉积物。然后,将所得沉积物分别用乙醇和水洗涤数遍,使沉积物上没有残留物,干燥后得到WO3·H2O粉末,样品记为C。
采用与实施例1相同的透射电子显微镜观察样品形貌,如图3为样品的TEM照片。结果可见,所得WO3·H2O为纳米片组装的空心球,其直径约为2.3μm;空心程度良好,空心球壳厚度约为230nm。
实施例结果表明,本发明方法整个过程没有使用模板,有效避免了模板法制备中残留杂质的问题,制备过程简单,可控性高,使得本方法具有良好的应用前景。
Claims (9)
1.一种制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于,包括如下的步骤和工艺条件:
(1)在磁力搅拌下,将草酸和钨酸盐溶于水中,草酸与钨酸盐摩尔浓度比为(1.5-2.5):1;
(2)向步骤(1)的水溶液中加入丙醇,所加入的丙醇与水溶液的体积比范围为(1-1.3):1,形成丙醇/水混合溶剂的溶液;
(3)向步骤(2)的溶液中加入强酸,钨酸盐与强酸摩尔浓度比范围为1:(20-50);
(4)将步骤(3)的溶液导入反应釜中在温度50-100℃下恒温反应时间至少6h,得到沉淀物;
(5)将步骤(4)的沉淀物分别用乙醇和水洗涤干净,干燥后得到WO3·H2O粉末。
2.按照权利要求1所述的制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于:步骤(1)中,钨酸盐为钨酸钠或钨酸钾。
3.按照权利要求1所述的制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于:步骤(1)中,草酸与钨酸盐摩尔浓度比优选为2:1。
4.按照权利要求1所述的制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于:步骤(2)中,所加入的丙醇与水溶液的体积比优选为1.2:1。
5.按照权利要求1所述的制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于:步骤(3)中,强酸为盐酸、硝酸或硫酸。
6.按照权利要求5所述的制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于:步骤(3)中,当强酸为盐酸或硝酸时,钨酸盐与强酸摩尔浓度比范围为1:(40-50)。
7.按照权利要求5所述的制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于:步骤(3)中,当强酸为硫酸时,钨酸盐与硫酸摩尔浓度比范围为1:(20-25)。
8.按照权利要求1所述的制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于:步骤(4)中,恒温反应时间优选为6-24h。
9.按照权利要求1所述的制备纳米片组装的WO3·H2O空心球的方法,其特征在于:所得WO3·H2O为纳米片组装的空心球,分散性良好,尺寸均一,空心程度良好,空心球壳厚度均匀。
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