CN110735135A - 不同纳米结构的钛酸钾阵列的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不同纳米结构的钛酸钾阵列的合成方法。该方法为将Ti片放入KOH溶液中进行水热反应，反应结束后，冲洗，烘干得到不同纳米结构的钛酸钾阵列。本发明采用一步水热法，制备出超薄、无团聚、结晶完好、纯度高、形貌可控的阵列材料，且工艺简单，能耗低。在后期的应用中，可直接作为各种电子器件的电极，避免了粘合剂、导电剂等的使用所造成的纳米材料比表面积的减少以及电化学性能的降低，使之能够更好、更广泛的应用于超级电容、锂离子电池、以及光电催化材料等领域。

Description

不同纳米结构的钛酸钾阵列的合成方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种不同纳米结构的钛酸钾阵列的合成方法。
背景技术
近年来，随着纳米科技的迅速发展，像纳米管，纳米线、纳米纤维和纳米带等一维纳米结构的碱金属钛酸盐的可控合成越来越广泛地引起人们的兴趣。钛酸钾是其中一种具有独特性质的无机材料，可广泛用于增强材料、摩擦材料、耐热材料和绝缘材料等，研究尤甚。钛酸钾具有多种不同类型的晶体结构K2O·n Ti O2(n＝1～8)来表示，通常n 为几就称其为几钛酸钾，例如n为2时称其为二钛酸钾(K2Ti2O5)、n为4时称其为四钛酸钾(K2Ti4O9)，主要有一维隧道结构和二维层状结构两种。这些结构以[TiO6] 八面体为基础，O原子分布在八面体角顶上，Ti原子位于八面体中心，K离子位于隧道或者层间。这些八面体的顶点、棱或面通过不同形式的连接，形成不同晶型。
现有的钛酸钾的合成方法有很多种，如固相烧结法(Wang,Q；Formation andstructural characterization of potassium titanates and the potassium ionexchange property； Mater.Res.Bull.2009,44,1973.)，溶胶凝胶法(Sung Oong Kang；Study on the growth of potassium titanate nanostructures prepared by sol-gel–calcination process；Materials Letters 61(2007)473–477)，化学剥离法MarkR.Allen；Evolution of Physical and Photocatalytic Properties in the LayeredTitanates A2Ti4O9(A＝K,H)and in Nanosheets Derived by Chemical Exfoliation；Chem.Mater.2010,22,1220–1228)和熔融盐法(Sujun Guan；Black compositesphotocatalyst coatings of K2Ti6O13-TiO2/TiC with nanosheet flower-likestructure by heat treatment in molten salt；Materials Letters 188(2017)55–58)等。上述方法均存在缺陷，如固相烧结法、熔盐法等，制备过程所需的反应温度一般均在1000℃以上，过程能耗大；溶胶-凝胶法中需调控的反应因素较多，包括前驱液的浓度、PH值、锻烧温度、锻烧时间等，因此合成的粉体的晶型和形貌比较难以控制，而且锻烧过程还容易引起粉体的团聚。钛酸钾也存在自身的问题，如导电性较差，且大都具有团聚现象，材料利用率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不同纳米结构的钛酸钾阵列的合成方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
不同纳米结构的钛酸钾阵列的合成方法，包括以下步骤：
将Ti片放入KOH溶液中，于120℃～220℃下进行水热反应，反应结束后，冲洗，烘干得到不同纳米结构的钛酸钾阵列。
优选地，所述的KOH水溶液的摩尔浓度为0.25～10M。
优选地，所述的水热反应在高压反应釜中进行，混合溶液体积为反应釜体积的75％～85％。
优选地，所述的水热反应温度为120℃～220℃，反应时间为5-14h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明采用简单的一步水热法，合成时间短，反应能耗低，工艺简单，过程可控，制得的钛酸钾阵列均匀生长在基底上，形貌均匀无团聚。
2.在后期的应用中，比如作为电极材料，可直接作为各种电子器件的电极，避免了粘合剂、导电剂等的使用所造成的纳米材料比表面积的减少以及电化学性能的降低，使之能够更好、更广泛的应用于超级电容、锂离子电池、以及光电催化材料等领域。
附图说明
图1是实施例1制备的超薄钛酸钾纳米片阵列的XRD图谱。
图2是实施例1制备的超薄钛酸钾纳米片阵列的高倍SEM图。
图3是实施例2制备的超薄钛酸钾纳米片阵列的低倍SEM图。
图4是对比例1制备的钛酸钾纳米带的SEM图。
图5是对比例1制备的钛酸钾纳米线的SEM图。
图6是对比例1制备的钛酸钾纳米棒的SEM图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
配置0.25M-1M的KOH溶液，加入2cm*3cm的Ti片作为基底材料同时也作为钛源，将其放入带聚四氟乙烯的高温反应釜中，于120℃-160℃下进行水热反应10-14h，反应结束后，产物用去离子水冲洗，60℃烘箱烘干得到超薄钛酸钾纳米片阵列。
实施例2
配置1-3M的KOH溶液，将2cm*3cm的Ti片作为基底材料同时也作为钛源，将其一起放入带聚四氟乙烯的高温反应釜中，于170-220℃下进行水热反应5-10h，反应结束后，产物用去离子水冲洗，60℃烘箱烘干得到超细钛酸钾纳米带阵列。
实施例3
配置3-7M的KOH溶液，2cm*3cm的Ti片作为基底材料同时也作为钛源，将其一起放入带聚四氟乙烯的高温反应釜中，于120-160℃下进行水热反应8-14h，反应结束后，产物用去离子水冲洗，60℃烘箱烘干得到超细钛酸钾纳米线阵列
实施例4
配置7-10M的KOH溶液，2cm*3cm的Ti片作为基底材料同时也作为钛源，将其一起放入带聚四氟乙烯的高温反应釜中，于170-220℃下进行水热反应5-10h，反应结束后，产物用去离子水冲洗，60℃烘箱烘干得到钛酸钾纳米棒阵列
如图1所示，本发明的制备方法制备的具有纳米片阵列形貌钛酸钾的XRD图谱，与数据库中的标准卡片No.32-0861完全吻合，说明产物的晶相组成为K2Ti4O9。如图2、图3是实施例2制备的超薄钛酸钾纳米片阵列的高倍/低倍SEM图，由图可以看出，纳米片分布均匀，相互连接，这可以提供较大的比表面积。
实施例2实验操作与实施例1基本相同，不同的是改变了KOH的浓度和水热的温度。从图4和图2对比可以看出，当KOH的浓度升高，水热温度升高时产物为带状，而KOH的浓度和水热温度较低时产物为片状，说明KOH的浓度和水热的温度是影响钛酸钾纳米形貌的重要因素。
实施例3与实施例1相比，KOH的浓度进一步升高。从图5和图2对比可以看出， KOH的浓度提高到3-7M时产物为线状，而KOH浓度为1M及1M以下时产物为片状，说明KOH的浓度是影响钛酸钾纳米形貌的重要因素。
实施例4实验操作与实施例1基本相同，不同的是改变了KOH的浓度、水热温度和水热时间，图6和图2对比可以看出，即使水热时间缩短，当KOH的浓度提高、水热温度增大就能形成尺寸较粗大的纳米棒，说明KOH的浓度和水热温度二者共同作用是影响Ti片在碱性溶液中的溶解再沉积过程形成钛酸钾纳米结构的决定性因素。

Claims (6)

1.一种不同纳米结构的钛酸钾阵列的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
将Ti片作为基底及钛源放入KOH溶液中进行水热反应，反应结束后，冲洗，烘干通过控制水热温度与时间得到不同纳米结构的钛酸钾阵列。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述的水热反应在高压反应釜中进行，混合溶液体积为反应釜体积的75％～85％。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述的KOH溶液浓度为0.25-10M。
4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述的水热反应温度为120℃～220℃。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述的水热反应时间为5h～14h。
6.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述的钛酸钾阵列为一维纳米带/纳米线/纳米棒或二维纳米片。
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彭裕聪等: "钛酸钾一维纳米结构的构筑及表征", 《材料科学与工程学报》 *

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