CN110357158A - 一种三维海胆状纳米结构TaO2F材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备具有三维海胆状纳米结构TaO2F的方法,在光/电催化领域有极大的应用前景。属于纳米材料制备技术领域。以金属钽粉,质量分数为40%的氢氟酸、分析纯的乙酸和去离子水为原料。具有以下步骤:(1)将钽粉溶解于氢氟酸中,二者摩尔比为1:(1~8);(2)将乙酸与水按体积比(0.2~6):1混合均匀;(3)经搅拌,将步骤(2)得到的乙酸溶液加入到步骤(1)所得到的含钽和氟溶液中;(4)采用水热法:将上述溶液移至反应釜中并放置烘箱中;在175~210℃下,反应10~40小时。(5)待反应釜冷却至室温,将所得产物经离心、乙醇和水洗涤、离心并干燥后,即可得到白色海胆状TaO2F材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维海胆状纳米结构的TaO2F材料的制备工艺,属于纳米材料制备技术领域。
背景技术
TaO2F属于钙钛矿(ABX3)结构,其中A位点为空位;具有立方ReO3 晶体结构,角部共用Ta(O/F)6 八面体,其中O和F原子处于相同的晶体学位点;所属空间群为Pm-3m。TaO2F材料具有低密度(6.51g/cm3)和表现出接近于零的膨胀系数:在-250到520oC范围内,其线膨胀系数只有1-3×10-7K-1。此外,TaO2F在中红外区域中没有固有的吸收带,可作为红外波段的透波材料。
作为一种宽带隙半导体(3.91eV), TaO2F材料具有各种应用,从发光二极管,光电探测器,到压敏电阻,气体传感器等。此外,随着化石能源的消耗和日益加剧的环境污染,开发新型的清洁能源变得刻不容缓。氢能是一种洁净、高能的可再生能源;通过光催化或电催化手段分解水制备低成本、高效率的氢气,是目前最主要的手段。TaO2F材料不仅在光和电催化活性而且在其成分方面表现出很大的优势。F是电负性最强的元素,将其引入Ta-O体系可以极大地调整其晶体和电子结构,进而影响其催化活性。据报道F离子掺杂不仅提高了光催化中电荷分离效率,而且还改善了紫外-可见光区域的光吸收。而在水电解的过程中,所涉及析氢反应(HER)和氧还原反应(ORR)完全依赖于电极的催化性能。因此,设计具备高性能和优异的稳定性的电催化剂尤为重要。Xin Yue 等人在在论文“Highly stable andefficient non-precious metal electrocatalysts of tantalum dioxyfluoride usedfor the oxygen evolution reaction”中发现TaO2F /C对于OER具有较低的起始电位1.48V且仅360mV的过电位;即使经过20000个CV循环以及在10mA cm-2的电流密度下,5天的长时间连续测试情况下,其电催化活性没有任何下降,进而彰显出其有效的催化活性和优异的稳定性。
通过制造纳米结构,可以提高材料的比表面积并进一步改善催化活性。其中三维纳米结构,比如类海胆形貌,与一维或二维纳米结构相比,具有优异的结构刚性、高比表面积的同时,还可以防止纳米粒子团聚。可以预测在保持高光/电催化剂活性的同时,还会具有优异的稳定性。
目前在商业上尚不能获得高纯度的TaO2F粉体,主要采用Frevel 和Rinn在1956年论文“The crystal structure of NbO2F and TaO2F”中报道的方法制备TaO2F。即采用Pt坩埚盛放浓氢氟酸(HF),然后将金属钽粉溶解其中;并在80oC下缓慢蒸发至干,将所得到的粉末在250oC 空气氛围下煅烧1小时,即可得到白色TaO2F粉体。此种方法制备的粉体,粒径较大,且易团聚;比表面小,进而影响了其光/电催化活性。为了解决上述缺点,本发明采用水热法制备出高纯度、单相且具有三维海胆状纳米结构TaO2F材料,使其不仅具有优异的光/电催化性能,还拥有优异的稳定性;有良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的是解决原有TaO2F材料制备粒径大、易团聚、纯度不高、结构单一等问题,提供一种三维海胆纳米结构TaO2F的制备工艺,其技术方案为:以金属钽粉,质量分数为40%的氢氟酸、分析纯的乙酸和去离子水为原料。(1) 将金属钽粉溶解于氢氟酸中,二者的摩尔比为1:(1~8),搅拌均匀;(2)将乙酸与去离子水按照体积比(0.2~6):1混合均匀得到乙酸溶液;(3)在搅拌的条件下,将步骤(2)得到的乙酸溶液加入到步骤(1)中得到的含钽和氟溶液中;(4)采用水热法,将上述混合溶液放入水热反应釜中,并放入干燥箱中加热至175~210 ℃,反应10~40 小时。(5)停止加热;水热反应釜冷却至室温后,离心分离得到白色沉淀物;然后经乙醇和水洗涤、离心并干燥后,即可得三维海胆状纳米结构的TaO2F材料。
本发明的工作原理是:首先金属钽粉溶解于氢氟酸中生成H2TaF7和氢气(如方程式(1)所示);
2Ta(s) + 14HF(l)=2H2TaF7(l)+5H2(g) (1)
在水热合成过程中,钽离子发生水解反应生成TaO2F:
H2TaF7(l)+2H2O(l)= TaO2F(s)+6HF(l) (2)
其中l代表液态,s代表固态;金属Ta遇到过量的HF酸会形成H2TaF7;加入乙酸后,整个体系呈酸性;在高温高压环境下,H2TaF7水解形成TaO2F和HF。
最初TaO2F纳米粒子析出作为形核点,然后在不同方向沿(100)晶面结晶形成TaO2F纳米棒 (一维晶体),许多不同方向的TaO2F纳米棒组成了独特的三维海胆状纳米结构。
本发明的制备方法简单、原料易得、周期短、所制备的TaO2F材料具有高纯度且三维海胆状纳米结构;其平均直径为1.5-2 μm,表面TaO2F纳米棒的平均宽度为20 nm。该材料将具有良好的光催化和电催化应用前景。
附图说明
图1是实施例1中制备的三维海胆状纳米结构的TaO2F材料的XRD谱图。
图2是实施例1中制备的三维海胆状纳米结构的TaO2F材料的SEM照片和EDS图谱。
图3是实施例1中制备的三维海胆状纳米结构的TaO2F材料的TEM照片。
具体实施方式
实施例1:
以金属钽粉,质量分数为40%的氢氟酸、分析纯的乙酸和去离子水为原料。(1) 将金属钽粉溶解于氢氟酸中,二者的摩尔比为1:8,搅拌均匀得到无色透明液体;(2)将乙酸与去离子水按照体积比0.4:1混合均匀得到乙酸溶液;(3)在搅拌的条件下,将步骤(2)得到的乙酸溶液加入到步骤(1)中得到的透明含钽和氟溶液中;(4)采用水热法,将上述混合溶液放入水热反应釜中,并放入干燥箱中加热至180 ℃,反应24 小时。(5)停止加热;水热反应釜冷却至室温后,离心分离得到的白色沉淀物;然后经乙醇和水洗涤、离心并干燥后,即可得到具有三维海胆状纳米结构的TaO2F材料。
将水热法制备的白色TaO2F粉体首先进行X-射线衍射物相分析(XRD),测试得到的XRD谱图如图1所示。主要衍射峰位于22.65 o和46.21o分别对应立方TaO2F相的(100)和(200)晶面;所对应粉末衍射卡片为PDF-01-076-2370。这说明所制备的TaO2F材料为单相、高纯、几乎无其他晶体杂质相的存在。
图2为所制备TaO2F材料典型的扫描电子显微镜(SEM)图像,具有均匀的类海胆状形貌,直径平均约为1.5-2 μm, 三维海胆结构由一维的TaO2F纳米棒组成。采用扫描电镜上所配备的能谱仪(EDS)进一步分析所制备产品的化学组成,其图谱如图2(d)所示;样品中含有Ta、O和F三种元素。
对所制备的三维海胆状纳米结构TaO2F材料进行透射电子显微镜(TEM)测试,其微观形貌和高分辨照片如图3所示。海胆形貌的刺状结构是由立方TaO2F纳米棒组成,其宽度的平均值约为20 nm。一个高分辨TEM(HRTEM)图像证实TaO2F具有的平面间晶格条纹的距离为0.3896 nm,对应于其(100)面的距离,与XRD结果相吻合。
实施例2:
以金属钽粉,质量分数为40%的氢氟酸、分析纯的乙酸和去离子水为原料。(1) 将金属钽粉溶解于氢氟酸中,二者的摩尔比为1:1,搅拌均匀;(2)将乙酸与去离子水按照体积比6:1混合均匀得到乙酸溶液;(3)在搅拌的条件下,将步骤(2)得到的乙酸溶液加入到步骤(1)中得到的含钽和氟溶液中;(4)采用水热法,将上述混合溶液放入水热反应釜中,并放入干燥箱中加热至175 ℃,反应40 小时。(5)停止加热;水热反应釜冷却至室温后,离心分离得到的白色沉淀物;然后经乙醇和水洗涤、离心并干燥后,即可得到具有三维海胆状纳米结构的TaO2F材料。。
实施例3:
以金属钽粉,质量分数为40%的氢氟酸、分析纯的乙酸和去离子水为原料。(1) 将金属钽粉溶解于氢氟酸中,二者的摩尔比为1:5,搅拌均匀;(2)将乙酸与去离子水按照体积比0.2:1混合均匀得到乙酸溶液;(3)在搅拌的条件下,将步骤(2)得到的乙酸溶液加入到步骤(1)中得到的含钽和氟溶液中;(4)采用水热法,将上述混合溶液放入水热反应釜中,并放入干燥箱中加热至210 ℃,反应10 小时。(5)停止加热;水热反应釜冷却至室温后,离心分离得到的白色沉淀物;然后经乙醇和水洗涤、离心并干燥后,即可得到具有三维海胆状纳米结构的TaO2F材料。
Claims (1)
1.一种制备三维海胆状纳米TaO2F材料的方法,其特征在于:以金属钽粉,质量分数为40%的氢氟酸、分析纯的乙酸和去离子水为原料;(1) 将金属钽粉溶解于氢氟酸中,二者的摩尔比为1:(1~8),搅拌均匀;(2)将乙酸与去离子水按照体积比(0.2~6):1混合均匀得到乙酸溶液;(3)在搅拌的条件下,将步骤(2)得到的乙酸溶液加入到步骤(1)中得到的含钽和氟溶液中;(4)采用水热法,将上述混合溶液放入水热反应釜中,并放入干燥箱中加热至175~210 ℃,反应10~40 小时;(5)停止加热;水热反应釜冷却至室温后,离心分离得到白色沉淀物;然后经乙醇和水洗涤、离心并干燥后,即可得具有三维海胆状纳米结构的TaO2F材料。
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110902721A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-03-24 | 山东理工大学 | 一种棒状氟钽酸铵材料的制备方法 |
CN111137922A (zh) * | 2020-01-04 | 2020-05-12 | 山东理工大学 | 一种钽氧纳米片的制备方法 |
CN111137921A (zh) * | 2020-01-04 | 2020-05-12 | 山东理工大学 | 一种氟氧化钽纳米片的制备方法 |
CN111994953A (zh) * | 2020-07-09 | 2020-11-27 | 南阳师范学院 | 一种海胆状五氧化二铌材料及其制备方法和应用 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103303977A (zh) * | 2013-06-07 | 2013-09-18 | 中国矿业大学 | 一种分等级中空Nb3O7F纳米材料的制备方法 |
CN104528827A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-22 | 湖州师范学院 | 纳米NbO2F粉体的水热制备方法 |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103303977A (zh) * | 2013-06-07 | 2013-09-18 | 中国矿业大学 | 一种分等级中空Nb3O7F纳米材料的制备方法 |
CN104528827A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-22 | 湖州师范学院 | 纳米NbO2F粉体的水热制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
LEILEI XU: "Complex-Mediated Synthesis of Tantalum Oxyfluoride Hierarchical Nanostructures for Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution", 《APPL. MATER. INTERFACES》 * |
段君元: "金属氧化物分级纳米结构的液相制备方法与光催化活性", 《中国优秀博士学位论文数据库》 * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110902721A (zh) * | 2019-12-06 | 2020-03-24 | 山东理工大学 | 一种棒状氟钽酸铵材料的制备方法 |
CN110902721B (zh) * | 2019-12-06 | 2022-02-25 | 山东理工大学 | 一种棒状氟钽酸铵材料的制备方法 |
CN111137922A (zh) * | 2020-01-04 | 2020-05-12 | 山东理工大学 | 一种钽氧纳米片的制备方法 |
CN111137921A (zh) * | 2020-01-04 | 2020-05-12 | 山东理工大学 | 一种氟氧化钽纳米片的制备方法 |
CN111137922B (zh) * | 2020-01-04 | 2022-05-20 | 山东理工大学 | 一种钽氧纳米片的制备方法 |
CN111137921B (zh) * | 2020-01-04 | 2022-05-20 | 山东理工大学 | 一种氟氧化钽纳米片的制备方法 |
CN111994953A (zh) * | 2020-07-09 | 2020-11-27 | 南阳师范学院 | 一种海胆状五氧化二铌材料及其制备方法和应用 |
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