CN107140605B - 一种多孔氧化物及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多孔氧化物及其制备方法。本发明将无机盐溶液和聚合物溶液混合，得到前驱体溶液；对所述前驱体溶液顺次进行冷冻处理和干燥处理，得到多孔结构前驱物；对所述多孔结构前驱物进行煅烧，得到多孔氧化物。本发明通过聚合物辅助，与无机盐紧密的结合在一起，阻碍冰晶的长大，形成多孔的前驱体；在高温煅烧过程中除去聚合物，无机盐分解为氧化物并以多孔前驱体为模板生长，得到具有宏观三维结构特性、孔道均匀的多孔氧化物材料。

Description

一种多孔氧化物及其制备方法
技术领域
本发明涉及多孔材料技术领域，尤其涉及一种多孔氧化物及其制备方法。
背景技术
多孔材料是一类具有明显孔隙特征的功能材料，具有均匀的孔道结构。由于多孔材料特殊的多孔性结构,使其具有高比表面积、高孔隙率、高透过性、高吸附性和可组装性等特征，而且具有高导热率、高导电率、抗腐蚀、抗疲劳等诸多优异的物理化学性能，因而在化工、生物医药、环保、功能材料等领域均有广泛应用。
多孔氧化物材料在过去的几十年间受到人们的广泛关注，并且在这一领域取得了巨大的进展。多孔氧化物具有高的比表面积和丰富的孔结构使得它们在气体吸附与储存，催化，传感及识别等领域有着独特应用。目前，多孔材料的合成方法很多，具体的有阳极氧化法、模板法、冷冻干燥法以及其他常见的方法。但是运用现有的方法制备多孔氧化物，产率低，形貌不容易保持，后处理非常复杂，易于引入异相杂质，在高温下容易坍塌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔氧化物及其制备方法，本发明提供的方法制备的多孔氧化物，孔道结构可控，易于保持，且产率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种多孔氧化物的制备方法，包含以下步骤：
将无机盐溶液和聚合物溶液混合，得到前驱体溶液；
对所述前驱体溶液顺次进行冷冻处理和干燥处理，得到多孔结构前驱物；
对所述多孔结构前驱物进行煅烧，得到多孔氧化物。
优选的，所述无机盐为硝酸铋、硝酸镍、磷钨杂多酸、醋酸锌和氯化锡中的一种或几种；
所述无机盐溶液的质量浓度为1～10％。
优选的，所述聚合物为聚乙烯醇和/或聚乙烯比咯烷酮；
所述聚合物溶液的质量浓度为1～10％。
优选的，所述无机盐溶液和聚合物溶液的质量比为(0.1～2):1。
优选的，所述冷冻处理的冷冻温度低于前驱体溶液的冰点。
优选的，所述干燥处理为真空干燥；
所述干燥处理的冷阱温度为-70～-50℃；
所述干燥处理的真空度≤20Pa；
所述干燥处理的时间为30～50h。
优选的，所述煅烧分为顺次进行的低温煅烧和高温煅烧；
所述低温煅烧的温度为250～350℃；
所述低温煅烧的时间为0.5～2h；
所述高温煅烧的温度为550～650℃；
所述高温煅烧的时间为1～3h。
优选的，所述干燥处理之后、煅烧之前还包含稳定处理；
所述稳定处理的温度为100～150℃；
所述稳定处理的时间为12～24h。
本发明还提供了一种上述任意一项所述的制备方法得到的多孔氧化物。
本发明提供了一种多孔氧化物及其制备方法。本发明将无机盐溶液和聚合物溶液混合，得到前驱体溶液；对所述前驱体溶液顺次进行冷冻处理和干燥处理，得到多孔结构前驱物；对所述多孔结构前驱物进行煅烧，得到多孔氧化物。本发明通过聚合物辅助，与无机盐紧密的结合在一起，阻碍冰晶的长大，形成多孔的前驱体；在高温煅烧过程中除去聚合物，无机盐组分分解为氧化物并以多孔前驱体为模板生长，得到具有宏观三维结构特性、孔道均匀的多孔氧化物材料。
附图说明
图1为本发明实施例1中前驱物的SEM图；
图2为本发明实施例1中大孔三氧化钨的SEM图；
图3为本发明实施例1中大孔三氧化钨的XRD图；
图4为本发明实施例2中前驱物的SEM图；
图5为本发明实施例2中大孔三氧化钨的SEM图；
图6为本发明实施例3中前驱物的SEM图；
图7为本发明实施例3中大孔三氧化钨的SEM图；
图8为本发明实施例4中大孔氧化锌在100μm标尺下的SEM图；
图9为本发明实施例4中大孔氧化锌在40μm标尺下的SEM图；
图10为本发明实施例4中大孔氧化锌在20μm标尺下的SEM图；
图11为本发明实施例4中大孔氧化锌的XRD图；
图12为本发明实施例5中大孔氧化锡在100μm标尺下的SEM图；
图13为本发明实施例5中大孔氧化锡在40μm标尺下的SEM图；
图14为本发明实施例5中大孔氧化锡在20μm标尺下的SEM图；
图15为本发明实施例5中大孔氧化锡的XRD图；
图16是本发明实施例3中大孔氧化钨的光催化图；
图17是本发明实施例5中大孔氧化锡在通入乙醇气体时的气敏响应图。
具体实施方式
本发明提供了一种多孔氧化物的制备方法，包含以下步骤：
将无机盐溶液和聚合物溶液混合，得到前驱体溶液；
对所述前驱体溶液顺次进行冷冻处理和干燥处理，得到多孔结构前驱物；
对所述多孔结构前驱物进行煅烧，得到多孔氧化物。
本发明将无机盐溶液和聚合物溶液混合，得到前驱体溶液。在本发明中，所述无机盐优选为可溶性盐，更优选为硝酸铋、硝酸镍、磷钨杂多酸(HPW)、醋酸锌和氯化锡中的一种或几种；所述无机盐溶液的质量浓度优选为1～10％，更优选为2～9％，最优选为4～6％。本发明对所述无机盐的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的上述物质的市售产品即可。在本发明中，所述无机盐溶液的溶剂优选为水。
在本发明中，所述聚合物优选为聚乙烯醇(PVA)和/或聚乙烯比咯烷酮(PVP)；所述聚合物溶液的质量浓度优选为1～10％，更优选为2.5～7.5％，最优选为4～6％。在本发明中，所述聚合物溶液的溶剂优选为水。本发明对所述聚合物的来源没有任何的特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售的上述聚合物即可。
在本发明中，所述无机盐溶液和聚合物溶液的质量比优选为(0.1～2):1，更优选为(0.25～1.8):1，最优选为(0.5～1.5):1。
在本发明中，所述无机盐溶液和聚合物溶液的混合优选为搅拌混合，所述搅拌优选为磁力搅拌。在本发明中，所述磁力搅拌混合的速率优选为600～1000r/min，更优选为700～900r/min，最优选为800r/min；所述磁力搅拌混合的时间优选为10～15h，更优选为12～13h。在本发明中，将无机盐和聚合物以溶液的形式混合，以及以搅拌方式混合均能够使得原料混合的更加均匀。
得到所述前驱体溶液后，本发明对所述前驱体溶液顺次进行冷冻处理和干燥处理，得到多孔结构前驱物。在本发明中，所述冷冻处理的冷冻温度应低于前驱体溶液的冰点。在本发明具体实施例中，所述冷冻处理优选为液氮冷冻。在本发明所述冷冻处理过程中，溶剂水结晶形成冰晶，冰会沿着温度梯度的方向生长，而聚合物与无机盐在冰的界面生长。本发明对所述冷冻的时间没有特殊要求，能够使得所有溶剂都结晶形成冰晶即可。
在本发明中，所述干燥处理优选为真空干燥；所述干燥处理的冷阱温度优选为-70～-50℃，更优选为-65～-55℃，最优选为-60℃；所述干燥处理的真空度优选≤20Pa，更优选≤15Pa，最优选≤10Pa；所述干燥处理的时间优选为30～50h，更优选为35～45h，最优选为40h。在本发明所述干燥过程中，在真空环境下，冰直接升华成水蒸气，留下聚合物与无机盐形成的孔道，得到具有多孔结构的无机盐/聚合物多孔结构前驱物。
得到所述多孔结构前驱物后，本发明对所述多孔结构前驱物进行煅烧，得到多孔氧化物。在本发明中，所述煅烧优选分为顺次进行的低温煅烧和高温煅烧；所述低温煅烧的温度优选为250～350℃，更优选为280～330℃，最优选为300℃；所述低温煅烧的时间优选为0.5～2h，更优选为1～1.5h；所述高温煅烧的温度优选为550～650℃，更优选为580～630℃，最优选为600℃；所述高温煅烧的时间优选为1～3h，更优选为2h。本发明分两个阶段进行煅烧，能够减缓分解速度，更好的保持前驱物模板的形貌。在本发明所述煅烧过程中，聚合物缓慢分解的过程中，无机盐分解为氧化物并会按照多孔结构前驱物的骨架结构生长，形成氧化物材料的孔结构相比前驱物的孔结构会有所收缩。
在本发明中，从室温升至低温煅烧的温度以及从低温煅烧的温度升至高温煅烧的温度的升温速率独立的优选为1～3℃/min，更优选为2℃/min。高温煅烧后，本发明优选从高温煅烧的温度自然降温至室温。在本发明中，所述煅烧优选在马弗炉中进行。
本发明优选在所述干燥处理之后、煅烧之前进行稳定处理；所述稳定处理的温度优选为100～150℃，更优选为110～140℃，最优选为120～130℃；所述稳定处理的时间优选为12～24h，更优选为15～20h，最优选为18h。在本发明中，所述稳定处理优选在空气气氛下进行。本发明所述稳定过程会导致聚合物中一些不稳定的化学官能团发生反应，聚合物间的交联反应有利于多空骨架结构的保持。
本发明还提供了一种上述任意一项所述的制备方法得到的多孔氧化物，呈三维多孔结构，形貌结构可控，性质稳定。
下面结合实施例对本发明提供的多孔氧化物及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将2.5wt％的PVA水溶液与9wt％的HPW水溶液混合按照0.25:1的质量比混合，以800r/min的速率磁力搅拌12h，得到前驱体溶液。
将前驱体溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于20Pa，在-60℃下干燥48h，得到孔结构排列规则的HPW/PVA前驱物。
将上述前驱物在100℃空气环境中稳定24h。
稳定处理后，将HPW/PVA前驱物置于马弗炉中，由室温升高至300℃，并保持1h，在空气环境中，由300℃升至600℃，并保持2h，自然降温，整个过程中升温速率2℃/min，得到孔径约为4.3微米的大孔三氧化钨。
本实施例制备的前驱物和大孔三氧化钨的SEM图分别如图1和图2所示，其中，图1为本发明实施例1中前驱物的SEM图，图2为本发明实施例1中大孔三氧化钨的SEM图。由图2可知，本实施例得到的大孔三氧化钨为具有平行孔道的三维结构；比较图1和图2可知，大孔三氧化钨和前驱物的结构基本一致，只是孔径有所收缩。
本实施例制备的大孔三氧化钨的XRD图如图3所示，将图3和氧化钨的XRD pdf20-1324标准卡对比可知，本实施例得到的为大孔三氧化钨。
实施例2
将5wt％的PVA水溶液与9wt％的HPW水溶液混合按照1.8:1的质量比混合，以850r/min的速率磁力搅拌12h，得到前驱体溶液。
将前驱体溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于20Pa，在-55℃下干燥40h，得到孔结构排列规则的HPW/PVA前驱物。
将上述前驱物在110℃空气环境中稳定24h。
稳定处理后，将HPW/PVA前驱物置于马弗炉中，由室温升高至300℃，并保持1h，在空气环境中，由300℃升至600℃，并保持2h，自然降温，整个过程中升温速率2℃/min，得到孔道直径为3～10μm，鱼骨形三维结构的大孔三氧化钨。
本实施例制备的前驱物和大孔三氧化钨的SEM图分别如图4和图5所示，其中，图4为本发明实施例2中前驱物的SEM图，图5为本发明实施例2中大孔三氧化钨的SEM图。由图5可知，本实施例得到的大孔三氧化钨为具有鱼骨形三维结构；比较图4和图5可知，大孔三氧化钨和前驱物的结构基本一致，只是孔径有所收缩。
实施例3
将7.5wt％的PVA水溶液与9wt％的HPW水溶液混合按照1:1的质量比混合，以750r/min的速率磁力搅拌12h，得到前驱体溶液。
将前驱体溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于20Pa，在-65℃下干燥50h，得到孔结构排列规则的HPW/PVA前驱物。
将上述前驱物在120℃空气环境中稳定24h。
稳定处理后，将HPW/PVA前驱物置于马弗炉中，由室温升高至300℃，并保持1h，在空气环境中，由300℃升至600℃，并保持2h，自然降温，整个过程中升温速率2℃/min，得到鱼骨形三维结构、孔径约为2微米的大孔三氧化钨。
本实施例制备的前驱物和大孔三氧化钨的SEM图分别如图6和图7所示，其中，图6为本发明实施例3中前驱物的SEM图，图7为本发明实施例3中大孔三氧化钨的SEM图。由图7可知，本实施例得到的大孔三氧化钨具有略碎的鱼骨形三维结构；比较图6和图7可知，大孔三氧化钨和前驱物的结构基本一致，只是孔径有所收缩。
本实施例制备的大孔三氧化钨的光催化性能如图16所示，具体的为大孔三氧化钨，在150W氙灯(加420nm长波通滤光片)作为可见光源的条件下，降解染料罗丹明B的光催化数据图。图16中，C代表经过了一定的照射时间t之后染料的浓度，C0代表初始染料的浓度，C/C0为溶液中染料的相对浓度，在3h时染料的相对浓度几乎为零，说明此时染料基本被降解完全。
实施例4
将5wt％的PVA水溶液与9wt％的醋酸锌水溶液混合按照0.5:1的质量比混合，以800r/min的速率磁力搅拌12h，得到前驱体溶液。
将前驱体溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于20Pa，在-60℃下干燥48h，得到孔结构排列规则的(CH3COO)2Zn/PVP前驱物。
将上述前驱物在130℃空气环境中稳定24h。
稳定处理后，将(CH3COO)2Zn/PVP前驱物置于马弗炉中，由室温升高至300℃，并保持1h，在空气环境中，由300℃升至500℃，并保持2h，自然降温，整个过程中升温速率2℃/min，得到大孔氧化锌。本实施例得到的氧化锌的壁较薄，约为0.71微米，相邻孔壁之间的距离约为11.2微米，孔壁上的小孔的尺寸约为0.57微米。
本实施例制备的大孔氧化锌的SEM图如图8～10所示，其中，图8为本发明实施例4大孔氧化锌在100μm标尺下的SEM图，图9为本发明实施例4大孔氧化锌在40μm标尺下的SEM图，图10为本发明实施例4大孔氧化锌在20μm标尺下的SEM图。由图8～10可知，本实施例得到的大孔氧化锌呈现大孔结构。
本实施例制备的大孔氧化锌的XRD图如图11所示，将图11和氧化锌的XRD pdf36-1451标准卡对比可知，本实施例得到的为六角纤锌矿结构的氧化锌。
实施例5
将5wt％的PVA水溶液与2wt％的SnCl4水溶液混合按照1.5:1的质量比混合，以800r/min的速率磁力搅拌12h，得到前驱体溶液。
将前驱体溶液呈装在离心管中，定向、快速插入液氮中，并迅速移入真空干燥装置，保持真空度低于20Pa，在-60℃下干燥48h，得到孔结构排列规则的SnCl4/PVP前驱物。
将上述前驱物在150℃空气环境中稳定24h。
稳定处理后，将SnCl4/PVP前驱物置于马弗炉中，由室温升高至300℃，并保持1h，在空气环境中，由300℃升至500℃，并保持2h，自然降温，整个过程中升温速率2℃/min，得到大孔氧化锡。本实施例得到的氧化锡孔壁较薄，约为0.29微米，在平形孔道之间又出现了纵向平行的孔道，不太均匀，孔约为2微米。
本实施例制备的大孔氧化锡的SEM图如图12～14所示，其中，图12为本发明实施例5大孔氧化锡在100μm标尺下的SEM图，图13为本发明实施例5大孔氧化锡在40μm标尺下的SEM图，图14为本发明实施例5大孔氧化锡在20μm标尺下的SEM图。由图12～14可知，本实施例得到的大孔氧化锡呈现大孔结构。
本实施例制备的大孔氧化锡的XRD图如图15所示，将图15和氧化锡的XRD pdf41-1445标准卡对比可知，本实施例得到的为氧化锡。
以本实施例制备的大孔氧化锡为敏感材料制成旁热式气体传感器，在通入乙醇气体时器件的响应如图17所示，在该图纵坐标中，Ra代表氧化锡在空气中的电阻值，Rg代表氧化锡在待测气体中的电阻值，Ra/Rg代表灵敏度。由图17可知，当置于100ppm乙醇氛围中时，可以看出器件的响应时间大约为100秒，灵敏度大约为5，重新置于空气环境后，恢复时间大约为50秒。
由以上实施例可知，本发明提供了一种多孔氧化物及其制备方法。本发明将无机盐溶液和聚合物溶液混合，得到前驱体溶液；对所述前驱体溶液顺次进行冷冻处理和干燥处理，得到多孔结构前驱物；对所述多孔结构前驱物进行煅烧，得到多孔氧化物。本发明通过聚合物辅助，与无机盐紧密的结合在一起，阻碍冰晶的长大，形成多孔的前驱体；在高温煅烧过程中，除去聚合物和无机盐分，得到具有三维结构、孔道均匀，排布整齐的大孔氧化物。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多孔氧化物的制备方法，包含以下步骤：
将无机盐溶液和聚合物溶液混合，得到前驱体溶液；所述无机盐为磷钨杂多酸、醋酸锌和氯化锡的一种，所述聚合物为聚乙烯醇；
对所述前驱体溶液顺次进行冷冻处理和干燥处理，得到多孔结构前驱物；所述干燥处理为真空干燥；所述干燥处理的冷阱温度为-70～-50℃；所述干燥处理的真空度≤20Pa；所述干燥处理的时间为30～50h；
对所述多孔结构前驱物进行煅烧，得到多孔氧化物；
所述煅烧分为顺次进行的低温煅烧和高温煅烧；
所述低温煅烧的温度为250～350℃；
所述低温煅烧的时间为0.5～2h；
所述高温煅烧的温度为550～650℃；
所述高温煅烧的时间为1～3h；
所述干燥处理之后、煅烧之前还包含稳定处理；
所述稳定处理的温度为100～150℃；
所述稳定处理的时间为12～24h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机盐溶液和聚合物溶液的质量比为(0.1～2):1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述冷冻处理的冷冻温度低于前驱体溶液的冰点。
4.权利要求1～3任意一项所述的制备方法得到的多孔氧化物。
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