CN104384527B - 一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法 - Google Patents
一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,本发明涉及一种二维纳米材料的制备方法,它为了解决现有制备自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的方法,存在工艺复杂、反应条件苛刻以及过渡金属氧化物导电性差的问题。本发明混相纳米片的制备方法:首先,将无机过渡金属盐、有机胺、醇和水混合形成金属离子的有机胺配合物的浑浊液;然后,在高温溶剂热条件下进行反应,使其生成金属/金属氧化物混相纳米片的前驱体;最后,在惰性气体保护下,高温热处理控制二维金属/金属氧化物混相纳米片的结晶程度。本发明的制备方法工艺简单,对设备要求低,得到的混相纳米片具有良好的导电性。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维纳米材料的制备方法。
背景技术
自支撑的二维纳米材料具有优异的物理和化学性能,在很多领域有广泛的应用。例如,二维的石墨烯具有大的比表面积、快速的电子传输速率,已广泛用于制备电子器件;粒子组成的二维金属硫化物保持了零维纳米单元的量子特性,具有高的能量/电子储存比容;剥离的二维水滑石暴露出更多的活性位点,表现出优异的电化学催化和光电催化性能。目前自支撑的二维纳米材料多采用剥离法、基底辅助的物理(化学)沉积法和基底辅助的晶体生长法制备。然而,剥离法只适用于具有层状结构的材料,而基底辅助法均需经过繁琐的去基底过程才能获得自支撑的二维纳米片,从而制约了二维纳米片层材料的制备及应用。
过渡金属存在多种价态,使其氧化物在催化、电子、磁学等领域均有很好的应用前景。由于过渡金属氧化物不具有层状结构,而且有很强的三维生长趋势,很难通过剥离法和基底辅助法获得自支撑的二维过渡金属氧化物纳米片,因而目前已报道的过渡金属氧化物多为有表面活性剂保护的纳米粒子。另外一方面,过渡金属氧化物多为半导体材料,较差导电性也影响其电化学性能。因此,寻求简单且高效的自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法仍是目前亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有制备自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的方法,存在工艺复杂、反应条件苛刻以及过渡金属氧化物导电性差的问题,而提供一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法。
本发明自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法按以下步骤实现:
一、将过渡金属无机盐与水混合配制成摩尔浓度为0.025~0.1mol/L的无机盐水溶液,在25℃、搅拌条件下依次加入有机胺和醇,使过渡金属无机盐与有机胺的摩尔比为1:3~15,水与醇的体积比为1:1~3,继续搅拌均匀得到含有金属离子的有机胺配合物的浑浊液;
二、将步骤一所得的含有金属离子的有机胺配合物的浑浊液转移至高压反应釜中,在120~200℃下溶剂热反应6~24h,冷却至25℃,然后将反应物进行分离、洗涤后置于烘箱中干燥,得到过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体;
三、在惰性气体保护下,将步骤二所得过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体放置于管式炉中,以1~5℃/min的升温速度,升温至300~600℃焙烧1~4h,冷却至室温,即得到二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片;
其中步骤一中所述的过渡金属无机盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、硝酸钴、硫酸钴、氯化钴或醋酸钴;所述的有机胺为十二胺、十四胺、十六胺或十八胺;所述的醇为乙二醇、异丙醇或乙醇。
与现有方法相比本发明自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法包含以下优点:
1.本发明的制备方法是将所有原料混合均匀,采用简单的溶剂热法制备过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体,在惰性气氛下低温焙烧得到自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片,制备工艺简单,避免了繁琐的去除模板过程,重现性好、可操作性、成本低,产率高,易于实现商业化。
2.本发明是在水和醇的混合体系下使有机胺与过渡金属离子配位,在溶剂热反应过程中利用有机胺长链的限域诱导组装、溶剂溶解度调变的共同作用下形成纳米片前驱体;惰性气氛下低温焙过程中,有机胺不仅抑制了纳米的团聚,又避免了金属片层的深度氧化,从而得到形貌均匀的自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片。结构上的优势使得自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片具有良好的导电性,在电化学催化领域中具有潜在的应用价值。
3.本发明的制备方法可拓展到其它自支撑的二维金属/金属氧化物混相纳米片的制备。
附图说明
图1是实施例1中制备的二维Ni/NiO混相纳米片的扫描电子显微镜(SEM)图;
图2是实施例1中制备的二维Ni/NiO混相纳米片的透射电子显微镜(TEM)图;
图3是实施例1中制备的二维Ni/NiO混相纳米片的X射线衍射图谱(XRD),其中★代表NiO,◆代表Ni,1—Ni/NiO,2—NiO;
图4是实施例1中制备的二维Ni/NiO混相纳米片在外加磁场2T,温度为300K下测定的磁滞回形曲线(M-H);
图5是实施例1中制备的二维Ni/NiO混相纳米片在0.1mol/L铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液(摩尔比为1:1)的电化学阻抗曲线(EIS)图,其中■代表Ni/NiO,●代表NiO;
图6是实施例1中制备的二维Ni/NiO混相纳米片在0.1mol/L磷酸缓冲溶液(PH=7.4)的循环伏安曲线(CV)图,其中1—Ni/NiO,2—NiO;
图7是实施例2中制备的二维Ni/NiO混相纳米片的扫描电子显微镜(SEM)图;
图8是实施例3中制备的二维Ni/NiO混相纳米片的扫描电子显微镜(SEM)图;
图9是实施例4中制备的二维Co/CoOx混相纳米片的扫描电子显微镜(SEM)图。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法按以下步骤实施:
一、将过渡金属无机盐与水混合配制成摩尔浓度为0.025~0.1mol/L的无机盐水溶液,在25℃、搅拌条件下依次加入有机胺和醇,使过渡金属无机盐与有机胺的摩尔比为1:3~15,水与醇的体积比为1:1~3,继续搅拌均匀得到含有金属离子的有机胺配合物的浑浊液;
二、将步骤一所得的含有金属离子的有机胺配合物的浑浊液转移至高压反应釜中,在120~200℃下溶剂热反应6~24h,冷却至25℃,然后将反应物进行分离、洗涤后置于烘箱中干燥,得到过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体;
三、在惰性气体保护下,将步骤二所得过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体放置于管式炉中,以1~5℃/min的升温速度,升温至300~600℃焙烧1~4h,冷却至室温,即得到二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片;
其中步骤一中所述的过渡金属无机盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、硝酸钴、硫酸钴、氯化钴或醋酸钴;所述的有机胺为十二胺、十四胺、十六胺或十八胺;所述的醇为乙二醇、异丙醇或乙醇。
本实施方式自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片中由于过渡金属相的存在提高了过渡金属氧化物的导电性,扩展其在电化学领域的应用。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一在25℃、搅拌条件下依次加入有机胺和醇,其中所述的搅拌速度为100~1000r/min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一将过渡金属无机盐与水混合配制成摩尔浓度为0.05~0.10mol/L的无机盐水溶液。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是步骤一中水与醇的体积比为1:1~1.5。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤一使过渡金属无机盐与有机胺的摩尔比为1:5~7。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二在160~180℃下溶剂热反应12~18h。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二将反应物进行分离、洗涤后置于烘箱中干燥,其中干燥的温度为40~80℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤三控制惰性气体的流量为40~80mL/min,其中所述的惰性气体为氮气、氩气或氦气。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤三将步骤二所得过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体放置于管式炉中,以3℃/min的升温速度,升温至400~500℃焙烧2~3h。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
实施例1:本实施例自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法按以下步骤实施:
一、将六水合硝酸镍与水混合配制成摩尔浓度为0.05mol/L的硝酸镍水溶液,在25℃、搅拌速度为300r/min的条件下依次加入十二胺和乙二醇,使硝酸镍与十二胺的摩尔比为1:6.67,水与醇的体积比为1:1.33,继续搅拌10min,得到含有镍离子的十二胺配合物的浑浊液;
二、将35mL步骤一所得含有镍离子的十二胺配合物的浑浊液转移至50mL不锈钢内衬聚四氟乙烯反应釜中,在180℃下溶剂热反应15h,冷却至25℃,然后将反应物进行分离、洗涤后置于60℃烘箱中干燥1h得到过渡镍/氧化镍纳米片的前驱体;
三、在氮气体保护下,将步骤二所得过渡镍/氧化镍纳米片的前驱体放置于管式炉中,以3℃/min的升温速度,升温至500℃焙烧2h,冷却至室温,即得到过渡镍/氧化镍混相纳米片(记为Ni/NiO)。
为了对比,在空气气氛下,将骤二所得前驱体放置于马弗炉中,以3℃/min的升温速度,升温至500℃焙烧2h,冷却至室温,得到氧化镍纳米片(记为NiO)。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片,其扫描电子显微镜(SEM)图如图1所示。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片,其透射电子显微镜(TEM)图如图2所示,产品过渡镍/氧化镍混相纳米片的微观形貌为二维层状结构,片层直径大约为250nm~400nm,片层尺寸单一,具有较好的分散度。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片,其片层的厚度为20nm左右。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片,其X射线衍射图谱(XRD)如图3所示:其中2θ为44.51°和51.85°归属于单质Ni的X射线衍射峰;2θ为37.25°,43.28°,62.88°和75.41°归属于NiO的X射线衍射峰,说明产品为Ni和NiO混相;而空气条件下焙烧得到的NiO纳米片中仅存在NiO的X射线衍射峰。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片,其300K下磁滞回形曲线(M-H)如图4所示:磁滞回形曲线的磁滞环为闭合环,说明在300K下Ni/NiO混相纳米片具有超顺磁性,进一步说明产品为Ni和NiO混相。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片和NiO纳米片在0.1mol/L铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液(摩尔比为1:1)的电化学阻抗曲线(EIS)图如图5所示:高频率区内,Ni/NiO混相纳米片的曲线弧的半径小于NiO纳米片的曲线弧半径,说明在电解质溶液中,NiO/Ni具有小的电荷传输电阻;通过电阻率测试仪测试,Ni/NiO混相纳米片的电导率可以达到6.18S/m,而NiO纳米片的电导率小于1.00S/m,说明NiO/Ni混相纳米片的导电性相对于NiO纳米片有所提高。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片和NiO纳米片在0.1mol/L磷酸缓冲溶液(PH=7.4)的循环伏安曲线(CV)图;在0.1mol/L磷酸缓冲溶液(PH=7.4)的循环伏安曲线(CV)图如图6所示:相对于NiO纳米片,产品Ni/NiO混相纳米片具有强的氧化还原峰,说明Ni/NiO混相纳米片具有更优异的电催化性能。
实施例2:本实施例与实施例1不同的是步骤一中的乙二醇溶剂换做乙醇溶剂。其它步骤及参数与实施例1相同。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片,其扫描电子显微镜(SEM)图如图7所示:产品的为六边形的二维片层结构,片层的直径在200~300nm,厚度约为20~30nm,片层尺寸单一,具有较好的分散度。
实施例3:本实施例与实施例1不同的是将步骤一中的硝酸镍换做醋酸镍,十二胺换做十六胺。其它步骤及参数与实施例1相同。
本实施例中制备所得Ni/NiO混相纳米片,其扫描电子显微镜(SEM)图如图8所示:产品的为六边形的二维片层结构,片层的直径在200~300nm,厚度约为20~30nm,片层尺寸单一,具有较好的分散度。
实施例4:本实施例自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法按以下步骤实施:
一、将六水合硝酸钴与水混合配制成摩尔浓度为0.075mol/L的硝酸钴水溶液,在25℃、搅拌速度为300r/min的条件下依次加入十二胺和乙二醇,使硝酸钴与十二胺的摩尔比为1:15,水与醇的体积比为1:3,继续搅拌10min,得到含有钴离子的十二胺配合物的浑浊液;
二、将35mL步骤一所得浑浊液转移至50mL不锈钢内衬聚四氟乙烯反应釜中,在160℃下溶剂热反应12h,冷却至25℃,将反应物进行分离、洗涤后置于60℃烘箱中干燥1h得到过渡钴/氧化钴纳米片的前驱体;
三、在氮气体保护下,将步骤二所得前驱体放置于管式炉中,以3℃/min的升温速度,升温至400℃焙烧2h,冷却至室温,即得到过渡钴/氧化钴混相纳米片(记为Co/CoOx)
本实施例中制备所得Co/CoOx混相纳米片,其扫描电子显微镜(SEM)图如图9所示:产品的为二维层状结构,片层比较薄,片层尺寸均一,具有良好的分散度。
Claims (9)
1.一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于是按下列步骤实现:
一、将过渡金属无机盐与水混合配制成摩尔浓度为0.025~0.1mol/L的无机盐水溶液,在25℃、搅拌条件下依次加入有机胺和醇,使过渡金属无机盐与有机胺的摩尔比为1:3~15,水与醇的体积比为1:1~3,继续搅拌均匀得到含有金属离子的有机胺配合物的浑浊液;
二、将步骤一所得的含有金属离子的有机胺配合物的浑浊液转移至高压反应釜中,在120~200℃下溶剂热反应6~24h,冷却至25℃,然后将反应物进行分离、洗涤后置于烘箱中干燥,得到过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体;
三、在惰性气体保护下,将步骤二所得过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体放置于管式炉中,以1~5℃/min的升温速度,升温至300~600℃焙烧1~4h,冷却至室温,即得到二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片;
其中步骤一中所述的过渡金属无机盐为硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、醋酸镍、硝酸钴、硫酸钴、氯化钴或醋酸钴;所述的有机胺为十二胺、十四胺、十六胺或十八胺;所述的醇为乙二醇、异丙醇或乙醇。
2.根据权利要求1所述的一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于步骤一在25℃、搅拌条件下依次加入有机胺和醇,其中所述的搅拌速度为100~1000r/min。
3.根据权利要求1所述的一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于步骤一将过渡金属无机盐与水混合配制成摩尔浓度为0.05~0.10mol/L的无机盐水溶液。
4.根据权利要求1所述的一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于步骤一中水与醇的体积比为1:1~1.5。
5.根据权利要求1所述的一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于步骤一使过渡金属无机盐与有机胺的摩尔比为1:5~7。
6.根据权利要求1所述的一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于是步骤二在160~180℃下溶剂热反应12~18h。
7.根据权利要求1所述的一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于步骤二将反应物进行分离、洗涤后置于烘箱中干燥,其中干燥的温度为40~80℃。
8.根据权利要求1所述的一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于步骤三控制惰性气体的流量为40~80mL/min,其中所述的惰性气体为氮气、氩气或氦气。
9.根据权利要求1所述的一种自支撑的二维过渡金属/金属氧化物混相纳米片的制备方法,其特征在于步骤三将步骤二所得过渡金属/金属氧化物纳米片的前驱体放置于管式炉中,以3℃/min的升温速度,升温至400~500℃焙烧2~3h。
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