CN108383159B - 一种Bi2O3纳米片材料的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Bi2O3纳米片材料的制备方法及其应用。本发明以五价铋源、还原剂、助剂为原料，将高能球磨的机械力同步作用于氧化还原反应，再经过热处理、洗涤除杂、固液分离以及干燥制备出Bi2O3纳米片材料。所制备的Bi2O3纳米片材料的比表面积为2～200m2/g、纳米片厚度范围为2～20nm。本发明具有制备工艺简单、易实现工业化生产、制造工艺成本低、环境友好等优势；所制备的Bi2O3纳米片材料在超级电容器、碱性二次电池、锂离子电池、光催化剂、珠光颜料、医药等领域具有广泛应用。

Description

一种Bi2O3纳米片材料的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种Bi2O3纳米片材料的制备方法及其应用，属于新型功能材料领域。
背景技术
目前，纳米材料的制备方法主要有液相法、固相法和气相法。而固相制备法，特别是机械化学法，因其操作简单、成本低、产量高、易产业化的特点，被广泛关注。MarijaPrekajski等[Materials Letters 64(2010)2247-2250]以硝酸铋和氢氧化钠为原料，采用机械球磨法制备出纳米级的α-Bi2O3材料。Ye Jiang等 [Hydrometallurgy of China 32(2013)263-265]利用氧化铋、碳酸氢铵为原料，机械球磨制备出次碳酸铋材料。Jiyong Xia等[Journal of Central South University 46(2015)404-409]以氧化铋和硝酸为原料，采用液相球磨转化法制备出次硝酸铋材料。发明专利[公开号CN101439874A]提供一种“高纯超细氧化铋的生产方法”，该发明将三价的铋盐、分散剂、碳酸氢铵和少量溶剂一起进行球磨及热处理制备出氧化铋材料。
本发明以五价铋源、还原剂、助剂为原料，将高能球磨的机械力同步作用于氧化还原反应制备出Bi2O3纳米片材料，本发明具有工艺过程简单易控、易于工业化生产、生产过程环境友好，产品纯度高、纳米片厚度易于控制等优势。所制备的Bi2O3纳米片材料包括但不限于在超级电容器、碱性二次电池、锂离子电池、光催化剂、医药中间体等领域的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Bi2O3纳米片材料的制备方法及其应用。所制备的Bi2O3纳米片材料的比表面积为2～200m2/g、纳米片厚度范围为2～20nm。
本发明通过以下技术方案实现：
一种Bi2O3纳米片材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将铋酸盐、还原剂、助剂按1:(0.25～2):(0.001～0.3)的摩尔比(物质的量之比)混合均匀，得到原料混合物；
(2)将步骤(1)所得原料混合物与磨球按1:(0.5～100)的质量比放入球磨机中，在保护气氛下球磨0.2～20h；
(3)将步骤(2)得到的球磨混合物置于高温炉中在200～600℃下热处理 0.5～10h，再将热处理后的混合物经过洗涤除杂，然后进行固液分离、干燥，即得Bi2O3纳米片材料。
进一步地，所述的铋酸盐为铋酸钠、铋酸锂、铋酸钾、铋酸钙、铋酸钡、铋酸锶、铋酸镁中的一种或两种以上。
进一步地，所述的还原剂为金属铋粉、碳粉、亚硫酸盐、甲醛(或多聚甲醛)、甲酸、还原糖、苯酚中的一种或两种以上。
进一步地，所述的助剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、三乙醇胺、乙二醇、丙三醇、非离子型表面活性剂、糖类物质、可溶性淀粉中的一种或两种以上。
进一步地，所述的球磨机是指市场上应用的各种机型；所述的磨球为玛瑙球、刚玉球、氧化锆球、瓷球、不锈钢球中的一种或两种以上。
进一步地，所述的保护气氛为氮气、氩气、二氧化碳、空气中的一种或两种以上。
进一步地，球磨机的转速为30～3000rpm。
上述制备方法所得到的Bi2O3纳米片材料在超级电容器、碱性二次电池、锂离子电池、燃料电池、光催化剂或医药等领域中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明方法制备工艺简单、易于工业化生产、生产过程环境友好，产品纯度高、纳米片厚度易于控制。
(2)本发明所制备的Bi2O3纳米片材料的应用广泛，能够应用的领域包括但不限于在超级电容器、碱性二次电池、锂离子电池、光催化剂、珠光颜料、医药中间体等领域。
附图说明
图1为实施例1中所制备的Bi2O3纳米片材料的扫描电子显微镜图。
图2为实施例2中所制备的Bi2O3纳米片材料的扫描电子显微镜图。
图3为实施例3所制备的Bi2O3纳米片材料的X射线衍射图。
图4为实施例4所制备的Bi2O3纳米片材料的氮气等温吸脱附曲线。
图5为实施例4所制备的Bi2O3纳米片材料在二次碱性电池中的充放电测试图。
具体实施方式
下面以具体实施例进一步说明本发明，但本发明并不局限于实施例。
实施例1
(1)将2mmol铋酸钠、1mmol铋粉、0.02mmol聚乙烯吡咯烷酮混合均匀得到原料混合物；将原料混合物和磨球按1:100的质量比加到球磨机中，通入氮气，在转速为1000rpm条件下进行球磨4h；将球磨后的产物置于马弗炉中，在350℃的温度下热处理4h，将热处理产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤及固液分离，将固体产物在110℃下干燥12h制备出Bi2O3材料。
(2)采用JEOLJEM-3010型扫描电子显微镜对实施例1所制备的Bi2O3材料进行测试，如图1所示，该Bi2O3材料由厚度为2～4nm、平面尺寸为400nm左右的纳米片组成。
实施例2
(1)将2mmol铋酸钾、0.5mmol碳粉、0.05mmol十六烷基三甲基溴化铵混合均匀得到原料混合物；在空气环境下将原料混合物和磨球按1:50的质量比加到球磨机中，在转速为800rpm条件下进行球磨6h；将球磨后的产物置于马弗炉中，在400℃的温度下热处理6h，将热处理产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤及固液分离，将固体产物在110℃下干燥12h制备出Bi2O3材料。
(2)采用JEOLJEM-3010型扫描电子显微镜对实施例2所制备的Bi2O3材料进行测试，如图2所示，该Bi2O3材料由厚度为2～6nm、平面尺寸为300～500nm的纳米片组成。
实施例3
(1)将4mmol铋酸锂、2mmol多聚甲醛、0.4mmol十二烷基苯磺酸钠混合均匀得到原料混合物；将原料混合物和磨球按1:80的质量比加到球磨机中，通入氩气，在转速为1500rpm条件下进行球磨2h；将球磨后的产物置于马弗炉中，在450℃的温度下热处理3h，将热处理产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤及固液分离，将固体产物在100℃下真空干燥12h制备出Bi2O3纳米片材料。
(2)采用XRD-6000型X-射线衍射仪对实施例3所制备的Bi2O3纳米片材料进行测试，如图3所示，样品在2θ＝17.3°、27.5°、30.1°、32.6°、41.2°、44.9°、51.9°、 53.5°等位置均有较明显的特征峰，这与立方结构的γ-Bi2O3晶体的标准卡片 (JCPDS No.45-1344)一致，其所对应的晶面分别为(220)、(310)、(222)、(321)、 (332)、(431)、(433)、(442)、(532)。
实施例4
(1)将2mmol铋酸钠、2mmol亚硫酸钠、0.02mmol可溶性淀粉混合均匀得到原料混合物；在空气环境下将原料混合物和磨球按1:50的质量比加到球磨机中，在转速为600rpm条件下进行球磨15h；将球磨后的产物置于马弗炉中，在温度为400℃的条件下进行热处理4h，将热处理产物分别用去离子水和无水乙醇洗涤及固液分离，将固体产物在110℃下真空干燥10h制备出Bi2O3纳米片材料。
(2)采用TriStarII3020型比表面积仪对实施例4所制备的Bi2O3纳米片材料进行测试。由图4可见，该Bi2O3纳米片材料的比表面积为3.566m2/g。
(3)将所制备的Bi2O3纳米片材料以及所购买的氢氧化镍正极材料制作成电极片，采用6mol/L KOH溶液为电解液组装成碱性二次电池，采用上海辰华公司生产的CHI660A电化学工作站，对所构造的电池在室温下进行恒流充放电测试。由图5所示，电池在1A/g的电流密度下比容量为333mAh/g，在电流密度为 2、3、5A/g时的比容量分别为324、309和305mAh/g。

Claims (5)

1.一种Bi2O3纳米片材料的制备方法，其特征在于，所述的Bi2O3纳米片材料应用于碱性二次电池中，所述的Bi2O3纳米片材料的比表面积为2~200m2/g、纳米片厚度范围为2~20nm；其制备方法包括如下步骤：
(1) 将铋酸盐、还原剂、助剂按1:(0.25~2): (0.001~0.3)的摩尔比混合均匀，得到原料混合物；
(2) 将步骤(1)所得原料混合物与磨球按1:(0.5~100)的质量比放入球磨机中，在保护气氛下球磨0.2~20h；
(3) 将步骤(2)得到的球磨混合物置于高温炉中在200~600℃下热处理0.5~10h，再将热处理后的混合物经过洗涤除杂，然后进行固液分离、干燥，即得Bi2O3纳米片材料；
所述的还原剂为金属铋粉、碳粉、亚硫酸盐、甲醛、多聚甲醛、甲酸、还原糖、苯酚中的一种或两种以上；
所述的助剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇、三乙醇胺、乙二醇、丙三醇、非离子型表面活性剂、糖类物质、可溶性淀粉中的一种或两种以上。
2.根据权利要求1所述的Bi2O3纳米片材料的制备方法，其特征在于，所述的铋酸盐为铋酸钠、铋酸锂、铋酸钾中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的Bi2O3纳米片材料的制备方法，其特征在于，所述的球磨机是指市场上应用的各种机型；所述的磨球为玛瑙球、刚玉球、氧化锆球、瓷球、不锈钢球中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的Bi2O3纳米片材料的制备方法，其特征在于，所述的保护气氛为氮气、氩气、二氧化碳、空气中的一种或两种以上。
5.根据权利要求1所述的Bi2O3纳米片材料的制备方法，其特征在于，球磨机的转速为30~3000rpm。
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