CN107697891B - 碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法及其制备的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法及其制备的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒和应用，方法的步骤中含有：S1、将铋盐加入去离子水中溶解得到铋离子溶液；S2、将亚碲酸钠加入铋离子溶液中，搅拌得到浑浊溶液；S3、将抗坏血酸加入浑浊溶液中，搅拌得到混合溶液a；S4、向混合溶液a中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌得到混合溶液b；S5、向混合溶液b中滴加乙二醇溶液，搅拌得到混合溶液c；S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒。本发明制备过程容易控制、工艺简单、成本低廉，适宜于工业化批量生产；而且本发明所得碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒具有形貌规则、均一度好等特点。

Description

碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法及其制备的碳包裹 核壳结构碲化铋纳米棒和应用
技术领域
本发明涉及一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法及其制备的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒和应用，属于纳米碲化铋技术领域。
背景技术
目前，硫族化合物组成多样，具有光、电和磁性的独特性质，在太阳能电池，微纳光电子器件、能量转换器等领域具有宽广的应用前景。碳常被用作为辅助材料，改进材料表面稳定性和增加很多材料本身所不具备的性质，甚至可以将碳层的性能赋予被包裹的纳米材料上，来获得新型的含碳的纳米复合结构材料，使其在电子、磁记录、电波屏蔽/吸收、催化剂、抗菌剂、生物医学等方面有广泛的应用前景。因此，制备碳包裹硫族化合物纳米结构材料，具有重要的研究和实用价值。
目前，碳包裹硫族化合物纳米结构材料的报道有碳包裹TiO2、碳包裹ZnO、CuO/C、MnS/C等；例如，Wang,F.等利用水热法成功地合成了的TiO2纳米纤维，通过对多环芳烃的提取表现出的良好性能，其有望作为固相微萃取材料[ACS Appl.Mater.Interfaces,2017,9,1840-1846]；Ghouri,Z.K等合成了碳包裹ZnO微球作为直接甲醇燃料电池(DMFCs)的经济型电极[Sci.Rep.,2017,7,1738]；Zhu,X.等报道了用于锂离子存储器阳极的碳包裹核壳结构纳米管(C@TBNTs)[ACS Appl.Mater.Interfaces,2016,8,18815-21]；Zhan,J.等研究了利用电沉积和化学气象沉积合成的CuO/C纳米线阵列作为锂离子电池的良好的阳极材料[Nanomaterials(Basel),2015,5,1610-1619]；Beltran-Huarac,J.等利用化学气象沉积法合成了γ-MnS/C纳米线[ACS Appl.Mater.Interfaces,2014,6,1180-6]。
然而，关于碳包裹碲化物的研究较少，Cho,J.S.等利用喷雾热分解法将前驱化合物C-MoOx通过碲化过程生成C-MoTe2微球，最后经过高温获得C-MoTe2二维结构微球，用于钠离子电池的阳极材料[Nanoscale,2017,9,1942-1950]。目前未见关于碳包裹的核壳结构碲化铋的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，它制备过程容易控制、工艺简单、成本低廉，适宜于工业化批量生产；而且本发明所得碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒具有形貌规则、均一度好等特点。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，方法的步骤中含有：
S1、将铋盐加入去离子水中溶解得到铋离子溶液；
S2、将亚碲酸钠加入铋离子溶液中，搅拌得到浑浊溶液；
S3、将抗坏血酸加入浑浊溶液中，搅拌得到混合溶液a；
S4、向混合溶液a中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌得到混合溶液b；
S5、向混合溶液b中滴加乙二醇溶液，搅拌得到混合溶液c；
S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒。
进一步，步骤S1中的铋盐与步骤S2中的亚碲酸钠的摩尔比为(0.5～2)：1。
进一步，步骤S1中的铋盐为五水合硝酸铋或氯化铋。
进一步，步骤S4中，向混合溶液a中滴加水合肼水溶液至pH值为8～10，接着搅拌至溶液颜色为棕色或棕褐色，得到混合溶液b。
进一步，步骤S3中的抗坏血酸与步骤S4中的聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1：(1～5)。
进一步，步骤S5中，混合溶液c与乙二醇溶液的体积比为(3～5)：1。
进一步，在步骤S4中，聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K-90。
本发明还提供了一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒，它采用上述碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法制得。
本发明还提供了一种上述制备方法制得的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒在制备太阳能电池纳米材料中的应用。
采用了上述技术方案后，本发明采用抗坏血酸作为交联剂，使碳原子之间彼此连接，本发明的制备工艺简单，生产成本低廉，不使用任何分散剂和表面活性剂，制备过程容易控制，样品后处理简单，非常适宜于工业化生产；而且本发明所得碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒具有形貌规则，均一度好等特点。
附图说明
图1为本发明的实施例一所得碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的全景扫描电子显微镜电镜图；
图2为本发明实施例一所得碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的透射电子显微镜图；
图3为本发明实施例一所得碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的X射线衍射图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，方法的步骤中含有：
S1、将48.5mg的五水合硝酸铋加入15ml的去离子水中溶解得到铋离子溶液；
S2、将22mg的亚碲酸钠加入铋离子溶液中，磁力搅拌40min得到浑浊溶液；
S3、将0.1g的抗坏血酸加入浑浊溶液中，磁力搅拌40min得到混合溶液a；
S4、向混合溶液a中加入0.3g的聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌40min得到混合溶液b；
S5、向混合溶液b中滴加5ml的乙二醇溶液，磁力搅拌得到混合溶液c；
S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒；具体地，将混合溶液c进行水热反应，水热反应的温度为200℃，水热反应的时间为15h，然后过滤，将滤饼分别用水和乙醇离心清洗，接着干燥得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒。
具体地，步骤S4中，向混合溶液a中滴加水合肼水溶液至pH值为8～10，接着搅拌至溶液颜色为棕色或棕褐色，得到混合溶液b。
在步骤S4中，聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K-90。
参照图1，本实施例所得C@Bi2Te3纳米棒具有核壳结构，核为碲化铋，壳为碳。参照图2，核碲化铋的厚度为，壳碳的厚度为10～40nm；参照图3，证实该产物为碳包裹核壳结构碲化铋。
本制备方法制得的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒可以应用于制备太阳能电池纳米材料中。
实施例二
一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，方法的步骤中含有：
S1、将97mg的五水合硝酸铋加入15ml的去离子水中溶解得到铋离子溶液；
S2、将22mg的亚碲酸钠加入铋离子溶液中，磁力搅拌40min得到浑浊溶液；
S3、将0.1g的抗坏血酸加入浑浊溶液中，磁力搅拌40min得到混合溶液a；
S4、向混合溶液a中加入0.3g的聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌40min得到混合溶液b；
S5、向混合溶液b中滴加5ml的乙二醇溶液，磁力搅拌2min得到混合溶液c；
S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒；具体地，将混合溶液c进行水热反应，水热反应的温度为180℃，水热反应的时间为10h，然后过滤，将滤饼分别用水和乙醇离心清洗，接着干燥得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒。
具体地，步骤S4中，向混合溶液a中滴加水合肼水溶液至pH值为8～10，接着搅拌至溶液颜色为棕色或棕褐色，得到混合溶液b。
在步骤S4中，聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K-90。
本制备方法制得的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒可以应用于制备太阳能电池纳米材料中。
实施例三
一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，方法的步骤中含有：
S1、将31.5mg的氯化铋加入15ml的去离子水中溶解得到铋离子溶液；
S2、将44mg的亚碲酸钠加入铋离子溶液中，磁力搅拌40min得到浑浊溶液；
S3、将0.1g的抗坏血酸加入浑浊溶液中，磁力搅拌40min得到混合溶液a；
S4、向混合溶液a中加入0.2g的聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌40min得到混合溶液b；
S5、向混合溶液b中滴加5ml的乙二醇溶液，磁力搅拌2min得到混合溶液c；
S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒；具体地，将混合溶液c进行水热反应，水热反应的温度为150℃，水热反应的时间为10h，然后过滤，将滤饼分别用水和乙醇离心清洗，接着干燥得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒。
具体地，步骤S4中，向混合溶液a中滴加水合肼水溶液至pH值为8～10，接着搅拌至溶液颜色为棕色或棕褐色，得到混合溶液b。
在步骤S4中，聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K-90。
本制备方法制得的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒可以应用于制备太阳能电池纳米材料中。
实施例四
一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，方法的步骤中含有：
S1、将48.5mg的五水合硝酸铋加入15ml的去离子水中溶解得到铋离子溶液；
S2、将22mg的亚碲酸钠加入铋离子溶液中，磁力搅拌40min得到浑浊溶液；
S3、将0.1g的抗坏血酸加入浑浊溶液中，磁力搅拌40min得到混合溶液a；
S4、向混合溶液a中加入0.5g的聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌40min得到混合溶液b；
S5、向混合溶液b中滴加5ml的乙二醇溶液，磁力搅拌2min得到混合溶液c；
S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒；具体地，将混合溶液c进行水热反应，水热反应的温度为180℃，水热反应的时间为12h，然后过滤，将滤饼分别用水和乙醇离心清洗，接着干燥得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒。
具体地，步骤S4中，向混合溶液a中滴加水合肼水溶液至pH值为8～10，接着搅拌至溶液颜色为棕色或棕褐色，得到混合溶液b。
在步骤S4中，聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K-90。
本制备方法制得的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒可以应用于制备太阳能电池纳米材料中。
实施例五
一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，方法的步骤中含有：
S1、将48.5mg的五水合硝酸铋加入15ml的去离子水中溶解得到铋离子溶液；
S2、将44mg的亚碲酸钠加入铋离子溶液中，磁力搅拌40min得到浑浊溶液；
S3、将0.2g的抗坏血酸加入浑浊溶液中，磁力搅拌40min得到混合溶液a；
S4、向混合溶液a中加入0.5g的聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌40min得到混合溶液b；
S5、向混合溶液b中滴加5ml的乙二醇溶液，磁力搅拌2min得到混合溶液c；
S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒；具体地，将混合溶液c进行水热反应，水热反应的温度为200℃，水热反应的时间为15h，然后过滤，将滤饼分别用水和乙醇离心清洗，接着干燥得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒。
具体地，步骤S4中，向混合溶液a中滴加水合肼水溶液至pH值为8～10，接着搅拌至溶液颜色为棕色或棕褐色，得到混合溶液b。
在步骤S4中，聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K-90。
本制备方法制得的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒可以应用于制备太阳能电池纳米材料中。
实施例六
一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，方法的步骤中含有：
S1、将48.5mg的五水合硝酸铋加入15ml的去离子水中溶解得到铋离子溶液；
S2、将22mg的亚碲酸钠加入铋离子溶液中，磁力搅拌40min得到浑浊溶液；
S3、将0.1g的抗坏血酸加入浑浊溶液中，磁力搅拌40min得到混合溶液a；
S4、向混合溶液a中加入0.4g的聚乙烯吡咯烷酮，磁力搅拌40min得到混合溶液b；
S5、向混合溶液b中滴加5ml的乙二醇溶液，磁力搅拌2min得到混合溶液c；
S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒；具体地，将混合溶液c进行水热反应，水热反应的温度为140℃，水热反应的时间为20h，然后过滤，将滤饼分别用水和乙醇离心清洗，接着干燥得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒。
具体地，步骤S4中，向混合溶液a中滴加水合肼水溶液至pH值为8～10，接着搅拌至溶液颜色为棕色或棕褐色，得到混合溶液b。
在步骤S4中，聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K-90。
本制备方法制得的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒可以应用于制备太阳能电池纳米材料中。
以上实施例中，水热反应的温度可以为140～200℃，水热反应的时间可以为8～20h；并且反应釜容量大小的选择和混合溶液c的溶度有关，要按照溶液浓度成比例变化；制备得到的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒经过全景扫描电子显微镜电镜检测发现其形貌规则，均一度好。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，其特征在于方法的步骤中含有：
S1、将铋盐加入去离子水中溶解得到铋离子溶液；
S2、将亚碲酸钠加入铋离子溶液中，搅拌得到浑浊溶液；
S3、将抗坏血酸加入浑浊溶液中，搅拌得到混合溶液a；
S4、向混合溶液a中加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌得到混合溶液b；
S5、向混合溶液b中滴加乙二醇溶液，搅拌得到混合溶液c；
S6、将混合溶液c转移至反应釜中进行水热反应得到碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒；
步骤S1中的铋盐与步骤S2中的亚碲酸钠的摩尔比为(0.5～2)：1；
步骤S1中的铋盐为五水合硝酸铋或氯化铋；
步骤S4中，向混合溶液a中滴加水合肼水溶液至pH值为8～10，接着搅拌至溶液颜色为棕色或棕褐色，得到混合溶液b；
抗坏血酸与步骤S4中的聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1：(1～5)；
步骤S5中，混合溶液c与乙二醇溶液的体积比为(3～5)：1。
2.根据权利要求1所述的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法，其特征在于：在步骤S4中，聚乙烯吡咯烷酮为聚乙烯吡咯烷酮K-90。
3.一种碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒，其特征在于：它采用如权利要求1至2中任一项所述的碳包裹核壳结构碲化铋纳米棒的制备方法制得。
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