CN106517326A - 一种花状五氧化二铌材料及其制备方法 - Google Patents

一种花状五氧化二铌材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种花状五氧化二铌材料的制备方法，包括以下步骤：首先将五氯化铌溶于去离子水中；接着加入氢氟酸；然后将所得溶液装入高压反应釜加热反应；最后冷却后经洗涤、干燥、焙烧即得花状五氧化二铌材料。本发明还公开了一种由上述制备方法制备得到的花状五氧化二铌材料。本发明制备的花状五氧化二铌形貌均匀规则，且具有较好的分散性；本发明制备的花状Nb2O5是由厚度为10‑30纳米的二维纳米片组装形成的，花的尺寸约为1‑3微米，在光催化、敏化太阳能电池、传感器和储能等领域具有潜在的应用价值；本发明合成工艺简单，反应条件可控性强，适于工业化生产。

Description

一种花状五氧化二铌材料及其制备方法
技术领域
本发明属于无机纳米材料领域，具体地说，涉及一种花状五氧化二铌材料及其制备方法。
背景技术
五氧化二铌(Nb2O5)具有优良的物理化学特性，被广泛应用于光敏化染料电池、光催化、传感器、电容器和锂离子电池等领域。在研究过程中人们发现，Nb2O5的形貌结构、颗粒尺寸等对其性能影响较大。到目前为止，人们成功合成出了零维纳米颗粒、一维纳米线、纳米带、纳米棒和二维的纳米片结构的Nb2O5材料，并且表现出了良好的性能。近年来，微纳分级结构材料因其具有一些独特的物理化学特征成为国内外科研工作者关注的重点。微纳分级结构是由纳米结构单元组装形成的，其既具有纳米和微米材料的优点，又具有一些特有的协同效应、耦合效应等。因此，探索适当的途径制备微纳分级结构Nb2O5材料具有重要的意义。
Lu等人(H.Lu,K.Xiang,et al.Urchin-shaped Nb2O5microspheres synthesizedby the facile hydrothermal method and their lithium ion storageperformance.Materials Letters 167(2016)106-108)利用水热法合成出海胆状Nb2O5微球，用作锂离子电池负极材料表现出较好的电化学性能。专利一种五氧化二铌海胆状纳米微球的制备方法及其作为光催化剂的应用(申请号：201510900901.0，申请日：2015-12-09，公开号：CN105384193A，公开日：2016-03-09)合成出的Nb2O5海胆状纳米微球具有优良的光催化性能。然而，迄今为止尚无有关由超薄Nb2O5纳米片组装而成的三维花状Nb2O5材料及其制备方法的报道。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种花状五氧化二铌材料及其制备方法，采用该方法制备的花状Nb2O5材料形貌规则、分散性好，可广泛应用于光催化、锂离子电池、电容器、传感器等领域。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种花状五氧化二铌材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、在搅拌条件下将五氯化铌溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.045-0.055mol/L；
步骤2)、向上述水溶液中加入氢氟酸，继续搅拌0.1-24小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中加热反应；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中焙烧，即得花状五氧化二铌材料。
进一步地，步骤2)中铌离子与氟离子的摩尔比为1:0.2-1:0.6。
进一步地，步骤3)中加热温度为178-185℃，加热时间为1-15h。
进一步地，步骤4)中的真空干燥温度为60-120℃。
进一步地，步骤5)中的焙烧温度为600-700℃，焙烧时间为0.5-1.5小时。
本发明还公开了一种由上述的制备方法制备得到的花状五氧化二铌材料。
进一步地，花状五氧化二铌材料是由大量五氧化二铌纳米片组装形成的微纳米花，微纳米花的尺寸约为1-3微米，纳米片的的厚度约为10-30纳米。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明制备的花状Nb2O5形貌均匀规则，且具有较好的分散性；
2)本发明制备的花状Nb2O5是由厚度为10-30纳米的二维纳米片组装形成的，花的尺寸约为1-3微米；该结构材料不仅具有纳米和微米材料的优点，而且具有许多耦合产生的新的物理化学特性；在光催化、敏化太阳能电池、传感器和储能等领域具有潜在的应用价值。
3)本发明合成工艺简单，反应条件可控性强，适于工业化生产。
当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1制备花状Nb2O5材料的X-射线衍射图；
图2是本发明实施例1制备花状Nb2O5材料的扫描电镜(SEM)照片；
图3是本发明实施例1制备花状Nb2O5材料的透射电镜(TEM)照片；
图4是本发明对比例1制备得到的产品的扫描电镜(SEM)照片；
图5是本发明对比例2制备得到的产品的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
步骤1)、在搅拌条件下将五氯化铌溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.55mol/L；
步骤2)、向上述五氯化铌的水溶液中加入氢氟酸，其中五氯化铌与氢氟酸的摩尔比为1:0.5，继续搅拌16小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃加热反应24小时；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为80℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，即得花状Nb2O5材料。
如图1所示，样品的衍射峰与Nb2O5的标准衍射峰完全吻合，没有发现其它杂质峰，说明合成的样品较纯。如图2所示，样品具有较好的花状形貌，且具有较好的分散性；花的尺寸约为1-5微米，表面有大量的纳米片。如图3所示，花是由大量纳米片组装形成的，纳米片的的厚度约为10-30纳米，并且组成的纳米花的内部是空心的。
实施例2
步骤1)、在搅拌条件下将五氯化铌溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.055mol/L；
步骤2)、向上述水溶液中加入氢氟酸，其中五氯化铌与氢氟酸的摩尔比为1:0.2，继续搅拌24小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在178℃加热反应15小时；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为110℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1.5小时，即得花状Nb2O5材料。
实施例3
步骤1)、在搅拌条件下将五氯化铌溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.45mol/L；
步骤2)、向上述水溶液中加入氢氟酸，其中五氯化铌与氢氟酸的摩尔比为1:0.6，继续搅拌16小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在185℃加热反应1小时；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为100℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在700℃下焙烧0.5小时，即得花状Nb2O5材料。
实施例4
步骤1)、在搅拌条件下将五氯化铌溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.048mol/L；
步骤2)、向上述水溶液中加入氢氟酸，其中五氯化铌与氢氟酸的摩尔比为1:0.3，继续搅拌8小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在182℃加热反应6小时；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为60℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在620℃下焙烧1.2小时，即得花状Nb2O5材料。
实施例5
步骤1)、在搅拌条件下将五氯化铌溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.52mol/L；
步骤2)、向上述水溶液中加入氢氟酸，其中五氯化铌与氢氟酸的摩尔比为1:0.5，继续搅拌5小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在184℃加热反应12小时；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为120℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在680℃下焙烧0.8小时，即得花状Nb2O5材料。
对比例1
步骤1)、在搅拌条件下将草酸铌溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.55mol/L；
步骤2)、向上述水溶液中加入氢氟酸，其中草酸铌与氢氟酸的摩尔比为1:0.5，继续搅拌16小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃加热反应24小时；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，制备不出花状Nb2O5材料。如图4所示，样品呈现出无规则的二次纳米粒子团聚体状。
对比例2
步骤1)、在搅拌条件下将草酸铌铵溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.55mol/L；
步骤2)、向上述水溶液中加入氢氟酸，其中草酸铌铵与氢氟酸的摩尔比为1:0.5，继续搅拌16小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃加热反应24小时；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，制备不出花状Nb2O5材料。如图5所示，样品呈现出不均匀的块状。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种花状五氧化二铌材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、在搅拌条件下将五氯化铌溶于去离子水中，其中铌离子的浓度为0.045-0.055mol/L；
步骤2)、向上述水溶液中加入氢氟酸，继续搅拌0.1-24小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至高压不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中加热反应；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物离心，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中焙烧，即得花状五氧化二铌材料。
2.根据权利要求1所述的花状五氧化二铌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中铌离子与氟离子的摩尔比为1:0.2-1:0.6。
3.根据权利要求1所述的花状五氧化二铌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中加热温度为178-185℃，加热时间为1-15h。
4.根据权利要求1所述的花状五氧化二铌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的真空干燥温度为60-120℃。
5.根据权利要求1所述的花状五氧化二铌材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中的焙烧温度为600-700℃，焙烧时间为0.5-1.5小时。
6.一种由权利要求1-5中任一权利要求所述的制备方法制备得到的花状五氧化二铌材料。
7.根据权利要求6所述的花状五氧化二铌材料，其特征在于，所述花状五氧化二铌材料是由大量五氧化二铌纳米片组装形成的微纳米花，微纳米花的尺寸约为1-3微米，纳米片的的厚度约为10-30纳米。
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