CN104891546A

CN104891546A - 一种无定型碳酸钙纳米片材料及其制备方法

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Publication number: CN104891546A
Application number: CN201510336572.1A
Authority: CN
Inventors: 俞书宏; 刘洋溢; 刘蕾; 陈思铭
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: CN104891546B

Abstract

本发明提供了一种无定型碳酸钙纳米片材料及其制备方法，通过将碲纳米线洗涤，得到洗涤后的碲纳米线；然后将洗涤后的碲纳米线配制成碲纳米线溶液，再将碲纳米线溶液、碳源和钙源反应，得到无定型碳酸钙纳米片材料，其中，通过控制所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位小于等于-14mV，以及所述碲纳米线与第一溶剂的体积比为(0.2～10)：1；使得作为模板的一维的碲纳米线材料能够诱导钙源和碳源反应，得到无定型碳酸钙，且还能进一步组装成纳米片材料；同时，本发明提供的制备方法中，模板材料简单易得，制备方法简单可控，易于进行批量生产。

Description

一种无定型碳酸钙纳米片材料及其制备方法

技术领域

本发明纳米材料技术领域，尤其涉及一种无定型碳酸钙纳米片材料及其制备方法。

背景技术

无定型碳酸钙是碳酸钙的一种，存在于许多的生物组织中。研究无定型碳酸钙不仅有助于理解生物矿化机理，而且在组装制备新材料方面有着重要应用。无定型碳酸钙纳米片作为新的组装单元，在制备力学增强材料或者功能性纳米粒子的负载等诸多方面有广泛的应用。

目前公开的关于合成无定型碳酸钙纳米片材料的制备方法主要是采用带电荷的纳米粒子或高分子聚合物作为稳定和抑制剂控制矿化过程中碳酸钙的生长而得到无定型碳酸钙，如：《美国化学会志》期刊1998年第一百二十卷11977页起报道了使用聚丙烯酸为抑制剂，在双亲性卞啉模板上成功矿化组装了无定型碳酸钙-方解石碳酸钙共存的薄片；英国《自然材料》期刊2012年第十一卷3页起报道了使用带电荷的纳米粒子作为超分子表面修饰剂控制和稳定了碳酸钙微晶的生长；这些方法虽然均可获得目标产物，但是实验条件往往较为苛刻、复杂，过程中涉及有毒试剂，而且稳定的无定型碳酸钙难以用来更为深入的组装制备新材料。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种无定型碳酸钙纳米片材料及其制备方法，本发明提供的制备方法简单，可控，且得到的无定型碳酸钙可以进行深入组装得到纳米片材料。

本发明提供了一种无定型碳酸钙纳米片材料的制备方法，包括：

1)将碲纳米线洗涤，得到洗涤后的碲纳米线，

所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位小于等于-14mV；

2)将洗涤后的碲纳米线和第一溶剂混合，得到碲纳米线溶液，

所述碲纳米线与第一溶剂的体积比为(0.2～10)：1；

3)将碲纳米线溶液、钙源和碳源反应，得到无定型碳酸钙纳米片材料。

优选的，所述洗涤用溶剂为甲醇、乙醇和水中的一种或几种。

优选的，所述洗涤用溶剂与碲纳米线的体积比为(1～20)：1。

优选的，所述第一溶剂为水。

优选的，所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位为-50mV～-14mV。

优选的，所述步骤1)中的碲纳米线按照以下方法制备：

1-1)将聚乙烯吡咯烷酮、亚碲酸钠、氨水、水合肼和第二溶剂混合反应得到未沉淀的碲纳米线；

所述第二溶剂为乙二醇和水中的一种或两种；

1-2)将未沉淀的碲纳米线沉淀，得到碲纳米线。

优选的，所述沉淀用溶剂为丙酮；

所述丙酮与碲纳米线的体积比为(1～20)：1。

优选的，所述钙源为醋酸钙；所述碳源为尿素。

优选的，所述步骤2)具体为：将洗涤后的碲纳米线、钙源和碳源通过水热法反应，得到无定型碳酸钙纳米片材料。

本发明还提供了一种由本发明提供的制备方法制备得到的无定型碳酸钙纳米片材料。

与现有技术相比，本发明通过将碲纳米线洗涤，得到洗涤后的碲纳米线；然后将洗涤后的碲纳米线配制成碲纳米线溶液，再将碲纳米线溶液、碳源和钙源反应，得到无定型碳酸钙纳米片材料，其中，通过控制所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位小于等于-14mV，以及所述碲纳米线与第一溶剂的体积比为(0.2～10)：1；使得作为模板的一维的碲纳米线材料能够诱导钙源和碳源反应，得到无定型碳酸钙，且还能进一步组装成纳米片材料；同时，本发明提供的制备方法中，模板材料简单易得，制备方法简单可控，易于进行批量生产。

附图说明

图1为本发明提供的制备方法制备无定型碳酸钙纳米片材料的组装机理；

图2为本发明实施例提供的未沉淀的7nm碲纳米线的透射电镜图片；

图3为本发明实施例1制备的ACCTe纳米片的透射电镜照片；

图4为本发明对比例1制备的碳酸钙沉淀的透射电镜照片；

图5为本发明对比例2制备的ACCTe纳米片的透射电镜照片；

图6为本发明实施例2制备的ACCTe纳米片的透射电镜照片；

图7为本发明实施例3制备的ACCTe纳米片的透射电镜照片；

图8为本发明实施例7制备的ACCTe纳米片的透射电镜照片；

图9为本发明实施例5制备的ACCTe纳米片的透射电镜照片；

图10为本发明实施例6制备的ACCTe纳米片的透射电镜照片。

具体实施方式

1)将碲纳米线洗涤，得到洗涤后的碲纳米线，

所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位小于等于-14mV；

所述碲纳米线与第一溶剂的体积比为(0.2～10)：1；

按照本发明，本发明首先将碲纳米线洗涤，得到洗涤后的碲纳米线；其中，所述碲纳米线的直径为1nm～50nm，更优选为5nm～40nm，最优选为7nm～35nm，最优选为10nm～30nm；所述洗涤用溶剂优选为甲醇、乙醇和水中的一种或几种，更优选为乙醇和水中的一种或两种；所述洗涤用溶剂与碲纳米线的体积比为(1～20)：1；更优选为(2～12)：1；所述洗涤的次数优选为1～10次，更优选为2～6次；本发明中洗涤后碲纳米线的ζ电位与无定形碳酸钙的形成有很大的关系，本发明所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位优选为-50mV～-14mV，更优选为-45mV～-17mV，最优选为-35mV～-18mV，最优选为-30mV～-20mV。

按照本发明，所述碲纳米线优选按照以下方法制备：

1-1)将聚乙烯吡咯烷酮、亚碲酸钠、氨水、水合肼和溶剂混合反应得到未沉淀的碲纳米线；

所述溶剂为乙二醇和水中的一种或两种；

1-2)将碲纳米线沉淀，得到碲纳米线。

具体的，本发明首先将将聚乙烯吡咯烷酮、亚碲酸钠、氨水、水合肼和溶剂混合反应得到未沉淀的碲纳米线；其中，所述亚碲酸钠与所述聚乙烯吡络烷酮的质量比优选为(1～2)：(10～30)，更优选为(1～2)：(15～25)；所述溶剂与所述碲酸钠的用量比优选为(250～500)mL:1g；更优选为(280～400)mL:1g；最优选为(300～350)mL:1g；所述亚碲酸钠与所述氨水的用量比优选为(1～2)g:(20～70)mL，更优选为1g:(25～50)mL，最优选为1g:(30～45)mL，最优选为1g:(33～40)mL；所述亚碲酸钠与所述水合肼的用量比为1g:(10～50)mL，更优选为1g:(15～30)mL，最优选为1g:(18～25)mL；所述反应的温度优选为160～250℃，更优选为180～200℃。

且为了使反应更加顺利的进行，本发明优选先将聚乙烯吡咯烷酮溶于溶剂中，然后加入亚碲酸钠、氨水和水合肼通过水热合成法合成碲纳米线；且为了控制合成的碲纳米线的尺寸，本发明优选将水或水与乙二醇的混合溶液作为溶剂；且在合成直径为1～15纳米的碲纳米线时，优选将水作为溶剂；且在合成直径为16～50纳米的碲纳米线时，优选将水和乙二醇的混合溶液作为溶剂；且合成16～25纳米的碲纳米线时，水与乙二醇的体积比优选为(1～1.5)：1；合成25～50纳米的碲纳米线时，水与乙二醇的体积比优选为1:(2～5)。

将得到的碲纳米线进行沉淀，得到碲纳米线；其中，所述沉淀用溶剂优选为丙酮；所述沉淀用溶剂与所述碲纳米线的体积比为(1～20)：1，更优选为(5～15)：1，最优选为(8～20)：1；本发明对沉淀的方法没有特殊限制，优选采用离心沉淀的方法使其沉淀，所述离心的转速优选为6000～20000rpm，更优选为8000～15000rpm。

按照本发明，将洗涤后的碲纳米线和第一溶剂混合，得到碲纳米线溶液，其中，所述碲纳米线与第一溶剂的体积比为(0.2～10)：1，优选为(0.4～8)：1，更优选为(0.7～6)：1，最优选为(1～4)：1；所述第一溶剂优选为水。

按照本发明，本发明将碲纳米线溶液、钙源和碳源反应，得到无定型碳酸钙纳米片材料；所述钙源优选为醋酸钙，所述碳源优选为尿素；所述反应优选为通过水热法反应制备无定型碳酸钙纳米片。

具体的，本发明优选将碲纳米线溶液、含钙源的水溶液和含碳源的水溶液混合，通过水热法反应得到无定型碳酸钙纳米片；其中，所述配制碲纳米线溶液所用溶剂优选为水；所述碲纳米线与溶剂的体积比优选为1：(1～8)，更优选为1：(2～7)，最优选为1：(3～5)；所述含钙源的水溶液的浓度优选为60～100mg/mL，更优选为70～80mg/mL；所述含碳源的水溶液的浓度优选为60～100mg/mL，更优选为70～80mg/mL；所述反应的温度优选为60～120℃，更优选为80～100℃；所述反应的时间优选为10～60小时；更优选为12～36小时。

且为了使反应更顺利的进行，本发明优选还包括向含有碲纳米线溶液、含钙源的水溶液和含碳源的水溶液混合的混合液中补加乙醇，然后再反应；所述补加的乙醇的量与混合溶液的体积比优选(0.3～1):1。

本发明通过将碲纳米线洗涤，得到洗涤后的碲纳米线；然后将洗涤后的碲纳米线配制成碲纳米线溶液，再将碲纳米线溶液、碳源和钙源反应，得到无定型碳酸钙纳米片材料，其中，通过控制所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位小于等于-14mV，以及所述碲纳米线与第一溶剂的体积比为(0.2～10)：1；使得作为模板的一维的碲纳米线材料能够诱导钙源和碳源反应，得到无定型碳酸钙，且还能进一步组装成纳米片材料；同时，本发明提供的制备方法中，模板材料简单易得，制备方法简单可控，易于进行批量生产。

具体的，本发明通过以碲纳米线为模板诱导无定形碳酸钙纳米片材料形成的过程见图1，图1为本发明提供的制备方法制备无定型碳酸钙纳米片材料的组装机理。

本发明还提供了一种由本发明的制备方法制备得到的无定型碳酸钙纳米片材料。

下面将结合本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1)碲纳米线的合成

称取2g聚乙烯吡咯烷酮溶于66mL去离子水中于100mL聚四氟乙烯内衬中，称量0.1846g亚碲酸钠加入到聚四氟乙烯内衬中，搅拌至溶液澄清。接着加入6.7mL氨去离子水(质量分数25～28％)和3.3mL水合肼(质量分数85％)，搅拌3h至均匀，密闭反应容器于180℃反应3小时，自然冷却待用，得到未沉淀的7nm碲纳米线；

通过对位沉淀的碲纳米线进行观察，结果见图2，图2为本发明实施例提供的未沉淀的7nm碲纳米线的透射电镜图片；

2)碲纳米线的沉淀

15mL丙酮加入到4mL未沉淀的7nm碲纳米线中，约10min后，碲纳米线团聚于烧杯底部，取出黑色团聚物至50mL离心管中，转速8000rpm，离心3min，去离子水洗3次，乙醇洗3次，得到表面ζ电位为-(20～22)mV的碲纳米线，将其分散于4mL去离子水中，得到碲纳米线溶液。

3)碲纳米线诱导无定型碳酸钙组装成纳米片材料

量取6mL水于50mL聚四氟乙烯内衬中，分别称取0.440g醋酸钙与0.450g尿素加入其中，搅拌20min，使醋酸钙与尿素溶解完全，将4mL碲纳米线溶液加入其中，搅拌30min体系成为均相，而后向体系中加入30mL乙醇，再次搅拌30min至混合体系均匀。将此密闭反应容器于80℃反应24小时，得到无定型碳酸钙纳米片材料ACCTe纳米片。

对本发明实施例制备得到的材料进行表征，结果见图3，图3为本发明实施例1中制备的ACCTe纳米片的扫描电镜照片，从图中可以看出，本发明实施例1制备得到的材料绝大多数为无定型碳酸钙纳米片，基本无哑铃状结晶体。

对比例1

量取6mL水于50mL聚四氟乙烯内衬中，分别称取0.440g醋酸钙与0.450g尿素加入其中，搅拌20min，使醋酸钙与尿素溶解完全，而后向体系中加入30mL乙醇，再次搅拌30min至混合体系均匀。将此密闭反应容器于80℃反应24小时，得到碳酸钙沉淀；

对对比例1制备得到的碳酸钙沉淀进行扫描电镜表征，结果见图4，图4为本发明对比例1制备的碳酸钙的扫描电镜照片，从图4可以看出，对比例1制备得到的碳酸钙为大小不一的哑铃状结晶体以及一些针状、棒状物，无明显的无定型纳米片。

对比例2

1)碲纳米线的合成

称取2g聚乙烯吡咯烷酮溶于66mL去离子水中于100mL聚四氟乙烯内衬中，称量0.1846g亚碲酸钠加入到聚四氟乙烯内衬中，搅拌至溶液澄清。接着加入6.7mL氨水(质量分数25～28％)和3.3mL水合肼(质量分数85％)，搅拌3h至均匀，密闭反应容器于180℃反应3小时，自然冷却待用，得到未沉淀的7nm碲纳米线；

2)碲纳米线的沉淀

2mL丙酮加入到0.5mL未沉淀的7nm碲纳米线中，约10min后，碲纳米线团聚于烧杯底部，取出黑色团聚物至50mL离心管中，转速8000rpm，离心3min，去离子水洗3次，乙醇洗3次，得到表面ζ电位为-(20～22)mV的碲纳米线，将其分散于4mL去离子水中，得到碲纳米线溶液。

3)碲纳米线诱导无定型碳酸钙组装成纳米片材

对本发明实施例制备得到的材料进行表征，结果见图5，图5为本发明对比例2中制备的ACCTe纳米片的扫描电镜照片，从图中可以看出，本发明对比例2制备得到的材料有一定棒状物以及哑铃状物，并没有纳米片存在。

实施例2

1)碲纳米线的合成

2)碲纳米线的沉淀

6mL丙酮加入到1.5mL未沉淀的7nm碲纳米线中，约10min后，碲纳米线团聚于烧杯底部，取出黑色团聚物至50mL离心管中，转速8000rpm，离心3min，去离子水洗3次，乙醇洗3次，得到表面ζ电位为-(20～22)mV碲纳米线，将其分散于4mL去离子水中，得到碲纳米线溶液。

3)碲纳米线诱导无定型碳酸钙组装成纳米片材

对本发明实施例制备得到的材料进行表征，结果见图6，图6为本发明实施例2制备的ACCTe纳米片的扫描电镜照片，从图中可以看出，本发明实施例2制备得到的材料中有极少量的纳米片存在，多数为大的哑铃状碳酸钙结晶体。

实施例3

1)碲纳米线的合成

2)碲纳米线的沉淀

12mL丙酮加入到3mL未沉淀的碲纳米线中，约10min后，碲纳米线团聚于烧杯底部，取出黑色团聚物至50mL离心管中，转速8000rpm，离心3min，去离子水洗3次，乙醇洗3次，得到表面ζ电位为-(20～22)mV碲纳米线，将其分散于4mL去离子水中，得到碲纳米线溶液。

3)碲纳米线诱导无定型碳酸钙组装成纳米片材

量取6mL水于50mL聚四氟乙烯内衬中，分别称取0.440g醋酸钙与0.450g尿素加入其中，搅拌20min，使醋酸钙与尿素溶解完全，将4mL碲纳米线分散液加入其中，搅拌30min体系成为均相，而后向体系中加入30mL乙醇，再次搅拌30min至混合体系均匀。将此密闭反应容器于80℃反应24小时，得到无定型碳酸钙纳米片材料ACCTe纳米片。

对本发明实施例制备得到的材料进行表征，结果见图7，图7为本发明实施例3制备的ACCTe纳米片的扫描电镜照片，从图中可以看出，本发明实施例3制备得到的材料中有无定型纳米片，但仍然存在些小的结晶体。

实施例4

1)碲纳米线的合成

2、碲纳米线的沉淀

37.5mL丙酮加入到10mL未沉淀的碲纳米线中，约10min后，碲纳米线团聚于烧杯底部，取出黑色团聚物至50mL离心管中，转速8000rpm，离心3min，去离子水洗3次，乙醇洗3次，得到表面ζ电位为-(20～22)mV碲纳米线，将其分散于4mL去离子水中，得到碲纳米线溶液。

3)碲纳米线诱导无定型碳酸钙组装成纳米片材

对本发明实施例制备得到的材料进行表征，结果见图8，图8为本发明实施例4制备的ACCTe纳米片的扫描电镜照片，从图中可以看出，本发明实施例4制备得到的材料中不仅有纳米片，还有残余碲纳米线。

实施例5

1)碲纳米线的合成

2)碲纳米线诱导无定型碳酸钙组装成纳米片材

量取6mL水于50mL聚四氟乙烯内衬中，分别称取0.440g醋酸钙与0.450g尿素加入其中，搅拌20min，使醋酸钙与尿素溶解完全，将ζ电位在-(30～32)mV的4mL碲纳米原溶液加入其中搅拌30min体系成为均相，而后向体系中加入30mL乙醇，再次搅拌30min至混合体系均匀。将此密闭反应容器于80℃反应24小时，得到无定型碳酸钙纳米片材料ACCTe纳米片。

对本发明实施例制备得到的材料进行表征，结果见图9，图9为本发明实施例5制备的ACCTe纳米片的扫描电镜照片，从图中可以看出，本发明实施例5制备得到的材料中结构较为复杂，有一定的纳米片，也有微球存在。

实施例6

1)碲纳米线的合成

2)碲纳米线的沉淀

15mL丙酮加入到4mL未沉淀的碲纳米线中，约10min后，碲纳米线团聚于烧杯底部，取出黑色团聚物至50mL离心管中，转速8000rpm，离心3min，去离子水洗3次，乙醇洗3次，得到碲纳米线，重复上述操作2次得到表面ζ电位为-(14～16)mV碲纳米线，将其分散于4mL去离子水中，得到碲纳米线溶液。

3、碲纳米线诱导无定型碳酸钙组装成纳米片材

对本发明实施例制备得到的材料进行表征，结果见图10，图10为本发明实施例6制备的ACCTe纳米片的扫描电镜照片，从图中可以看出，本发明实施例6制备得到的材料中无定型片材更加卷曲，无明显微球存在。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种无定型碳酸钙纳米片材料的制备方法，包括：

1)将碲纳米线洗涤，得到洗涤后的碲纳米线，

所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位小于等于-14mV；

所述碲纳米线与第一溶剂的体积比为(0.2～10)：1；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述洗涤用溶剂为甲醇、乙醇和水中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述洗涤用溶剂与碲纳米线的体积比为(1～20)：1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂为水。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述洗涤后的碲纳米线的ζ电位为-50mV～-14mV。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中的碲纳米线按照以下方法制备：

所述第二溶剂为乙二醇和水中的一种或两种；

1-2)将未沉淀的碲纳米线沉淀，得到碲纳米线。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述沉淀用溶剂为丙酮；

所述丙酮与碲纳米线的体积比为(1～20)：1。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钙源为醋酸钙；所述碳源为尿素。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：将洗涤后的碲纳米线、钙源和碳源通过水热法反应，得到无定型碳酸钙纳米片材料。

10.一种由权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备得到的无定型碳酸钙纳米片材料。