CN110615464A - 一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球及其制备方法 - Google Patents

一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球的制备方法，包括：以尺寸形貌均一的球形In(OH)(2,5‑PDC)作为前驱物，选择合适的煅烧温度、煅烧时间以及煅烧气氛可形成尺寸大小均一的N,S元素掺杂碳层均匀包覆的氧化铟空心纳米球。本发明通过添加一种富含氮的有机配体(2,5‑吡啶二羧酸)和富含氮，硫的调节剂(2,1,3‑苯并异噻唑‑3‑酮)实现前驱体In(OH)(2,5‑PDC)空心球中N,S元素的引入，热处理后得到N,S元素掺杂C包覆的In2O3空心纳米球。本发明的制备方法通过一步简单的溶剂热反应，合成了尺寸，形貌均一的In(OH)(2,5‑PDC)空心球。

Description

一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球及其制备 方法
技术领域
本发明涉及金属氧化物复合物，具体涉及一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球及其制备方法。
背景技术
金属有机骨架(MOFs)作为一种由金属离子和有机配体组成的多孔配位聚合物，具有结构精细、比表面积大、孔隙结构可控、组分多样等特点。以MOFs材料为前驱体经过高温煅烧可以得到多孔的碳材料/半导体复合材料。本发明在制备In基MOFs的过程中，硝酸铟四水合物与富含氮的配体2,5-吡啶二羧酸进行配位的过程中引入一个富含氮，硫元素的调节剂(2,1,3-苯并异噻唑-3-酮)可以实现其MOFs尺寸、形貌的控制，同时实现杂原子氮，硫元素掺杂的目的。目前在制备In基MOFs过程中，引入调节剂(2,1,3-苯并异噻唑-3-酮)实现其尺寸，形貌控制以及杂原子氮，硫掺杂的研究还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种尺寸大小均一的N,S元素掺杂碳层均匀包覆的氧化铟空心纳米球及其制备方法。
具体而言，本发明提供了一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球的制备方法，包括以下步骤：
S1：将一定量的四水合硝酸铟、2,5-吡啶二羧酸和2,1,3-苯并异噻唑-3-酮溶于溶剂中得混合溶液；
S2：将混合溶液移至反应釜中，加热反应一段时间，收集产物，洗涤，烘干备用；
S3：将一定量的产物作为前驱体放于容器中，然后将容器放到管式炉中，于保护气氛中煅烧一段时间，得氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球。
进一步的，所述步骤S1中，所述四水合硝酸铟、所述2,5-吡啶二羧酸与所述2,1,3-苯并异噻唑-3-酮的质量比为78：3：2。
进一步的，所述步骤S1中，所述溶剂由N,N-二甲基甲酰胺与水混合而制成。
进一步的，所述N,N-二甲基甲酰胺与所述水的体积比为6:4。
进一步的，所述步骤S2具体包括，将混合溶液超声分散均匀，然后转移至聚四氟乙烯的反应釜中，加热至120℃，反应时间6h，通过离心分离收集产物，然后用工业酒精将产物洗涤数次，烘干备用。
进一步的，所述步骤S3具体包括，将一定量的产物作为前驱体放于小瓷舟中，平铺均匀，然后将小瓷舟放到管式炉中，通入氩气煅烧一段时间，得氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球。
进一步的，所述煅烧温度为360℃-400℃，煅烧时间为1-6h。
本发明还提供了由上述制备方法制备的氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的制备方法通过一步简单的溶剂热反应，合成了尺寸，形貌均一的In(OH)(2,5-PDC)空心球；
本发明通过添加一种富含氮的有机配体(2,5-吡啶二羧酸)和富含氮，硫的调节剂(2,1,3-苯并异噻唑-3-酮)实现前驱体In(OH)(2,5-PDC)空心球中N,S元素的引入，热处理后得到N,S元素掺杂C包覆的In2O3空心纳米球。
附图说明
图1为本发明实施例中前驱体In(OH)(2,5-PDC)的XRD(图1a)和扫描电镜图(图1b)；
图2为本发明实施例中前驱体In(OH)(2,5-PDC)在4000-500cm-1范围内的红外光谱图(IR)；
图3为本发明实施例中前驱体In(OH)(2,5-PDC)在煅烧后的XRD(图3a)和扫描电镜图(图3b)；
图4为本发明实施例中煅烧后样品的TEM图；
图5为本发明实施例中煅烧后样品的SEM和Mapping元素分析图
图6为本发明实施例中煅烧后样品的X电子衍射能谱(XPS)。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球的制备方法，包括以下步骤：
(1)前驱物的制备：取四水合硝酸铟(0.078g)，2,5-吡啶二羧酸(0.03g)和2,1,3-苯并异噻唑-3-酮(0.02g)溶解于10mL体积比为6:4的N,N-二甲基甲酰胺和水混合溶液中，将上述溶液超声10min分散均匀，然后将混合溶液转移至50mL聚四氟乙烯的反应釜中，加热至120℃，反应时间6h。通过离心分离收集产物，然后用工业酒精将产物洗涤数次，得前驱体In(OH)(2,5-PDC)，烘干备用。
图1所示为为前驱体In(OH)(2,5-PDC)的XRD(图1a)和扫描电镜图(图1b)，SEM图表明成功合成了大小均匀的空心纳米球，XRD证明合成的物质为In(OH)(2,5-PDC)。图2所示为前驱体In(OH)(2,5-PDC)在4000-500cm-1范围内的红外光谱图(IR)，根据IR谱图上的特征峰，可以证明In3+与2,5-吡啶二羧酸进行配位，形成配位化合物。
(2)取适量前驱体In(OH)(2,5-PDC)放在小瓷舟中，平铺均匀，然后将小瓷舟放到管式炉中，通入惰性气体氩气(Ar)，煅烧温度控制在360℃-400℃，煅烧时间控制在1-6h，即可得到大小均匀N,S元素掺杂碳层包裹的In2O3小颗粒组装而成的空心球。
图3为前驱体In(OH)(2,5-PDC)煅烧后的XRD(图3a)和扫描电镜图(图3b)。在XRD图中，上方曲线为煅烧后样品的XRD图，下方曲线为立方相氧化铟(In2O3)的XRD图，煅烧后样品XRD衍射峰尖锐，表明结晶性良好，且衍射峰位置与立方相In2O3完全匹配，证明煅烧后的产物为立方相In2O3。SEM图表明煅烧后的产物仍然保持尺寸均一的球状。图4为煅烧后样品的TEM图，由SEM图证明煅烧后的样品保持前驱体原有的球状形貌，为了进一步研究煅烧后球体内部的特征，进行了相应的透射电镜的表征。由TEM表征可知，煅烧后的微米球内部为空心结构，空心球的球体由蓬松的小颗粒堆积而成。图5为煅烧后样品的SEM和Mapping元素分析图。对单个煅烧后的空心球进行SEM的拍摄，如图5(a)所示。后对其进行相应的元素分析(如图5b-f)，从元素分析结果可以看出，In，O，C，N，S的存在且各种元素均匀分布在空心球的表面。用X射线光电子能谱(XPS)研究了元素的表面化学成分(图6)，XPS全谱图表明，煅烧后样品中存在In、O、C、N、S元素，这与元素分析的实验结果相对应，证明已成功制备了一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心球。

Claims (8)

1.一种氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将一定量的四水合硝酸铟、2,5-吡啶二羧酸和2,1,3-苯并异噻唑-3-酮溶于溶剂中得混合溶液；
S2：将混合溶液移至反应釜中，加热反应一段时间，收集产物，洗涤，烘干备用；
S3：将一定量的产物作为前驱体放于容器中，然后将容器放到管式炉中，于保护气氛中煅烧一段时间，得氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述四水合硝酸铟、所述2,5-吡啶二羧酸与所述2,1,3-苯并异噻唑-3-酮的质量比为78：3：2。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述溶剂由N,N-二甲基甲酰胺与水混合而制成。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述N,N-二甲基甲酰胺与所述水的体积比为6:4。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括，将混合溶液超声分散均匀，然后转移至聚四氟乙烯的反应釜中，加热至120℃，反应时间6h，通过离心分离收集产物，然后用工业酒精将产物洗涤数次，烘干备用。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括，将一定量的产物作为前驱体放于小瓷舟中，平铺均匀，然后将小瓷舟放到管式炉中，通入氩气煅烧一段时间，得氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧温度为360℃-400℃，煅烧时间为1-6h。
8.由上述任一权利要求所述的制备方法制备的氮、硫元素掺杂碳层包裹的In2O3空心纳米球。
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