CN112456555B - 一种掺杂二氧化钒纳米粉体的固相制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效掺杂二氧化钒纳米粉体的固相制备方法,先将五氧化二钒与钨源分散到醇溶液中,并高速搅拌,然后离心、干燥,得到混合均匀的粉体;再将粉体加入到球磨罐中,并加入还原剂,在球料比为6:1~20:1,转速为150~500r/min的条件下,球磨0.5~5.5h;最后,将球磨后的粉体在400~850℃真空或惰性中煅烧0.5~6.5h,即可得到结晶性能优异的掺杂二氧化钒纳米粉体。本发明所制备的二氧化钒纳米粉体不仅具有较低的相变温度,而且其颗粒尺寸均匀、物相纯、结晶性能优异。此外,本发明的制备方法工艺简单、生产周期短、成本低、绿色无污染、易于大量生产,具有非常好的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及二氧化钒粉体制备技术领域,具体涉及一种高效掺杂二氧化钒纳米粉体的固相制备方法。
背景技术
二氧化钒是一种具有热致相变性质的金属氧化物,其晶体结构由低温绝缘体单斜相(P21/c)转变为高温金属态四方金红石结构(P42/mnm),同时伴随着光学性能的突变。近红外透射率由低温的高透变为高温的低透,而可见光透射率在相变过程中几乎无变化。因此,二氧化钒可应用到智能窗上,实现室内“冬暖夏凉”的效果。但二氧化钒的相变温度为68℃,高于室温,影响其实际应用。因此,需要采取措施降低二氧化钒的相变温度。
掺杂是降低二氧化钒相变温度最常用的方法,掺杂元素通常为钨。将纳米颗粒分散到成膜剂中制备的复合薄膜表现出优异的调光性能,且纳米颗粒尺寸越小、结晶性能越好,其调光性能越优异。目前,制备掺杂二氧化钒纳米粉体最常用的方法是水热法,此方法不仅可制备出颗粒尺寸较小的纳米颗粒,而且具有较高的掺杂效率。陈长等以五氧化二钒和盐酸肼为原料,放入反应釜,在330℃的条件下反应15h,得到平均颗粒尺寸为23nm的掺杂二氧化钒纳米颗粒,利用此纳米粉体制备出的复合薄膜表现出优异的调光性能(J.Mater.Chem.A,2014,2,2718);纳米颗粒尺寸越小越容易产生应力,导致相变温度升高,在此工艺条件下所得纳米颗粒的相变温度高达90℃,通过掺杂可使其相变温度降低至室温。朱婧婷等以硫酸氧钒和肼为前驱体,在240℃的条件下反应36h,制备出粒径尺寸分布为10~35nm的二氧化钒纳米颗粒,其相变温度为84.7℃,通过掺杂2at.%的钨,其相变温度可降低至40.4℃(ACSAppl.Mater.Interfaces 2015,7,27796-27803)。但水热法制备二氧化钒粉体存在生产周期长、反应温度高、能耗大、存在安全隐患、废水量大等问题,亟待探索一种周期短、低能耗、安全、环境友好型的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效掺杂二氧化钒纳米粉体的固相制备方法,这种制备方法不仅具有与水热法相媲美的掺杂效率,同时可以解决水热制备过程中存在的能耗高、安全性低、环境污染等问题。
为实现以上目的,本发明采用以下技术方案:
本发明的第一方面,提供一种高效掺杂二氧化钒纳米粉体的固相制备方法,包括以下步骤:
(1)将五氧化二钒与掺杂元素源在醇溶液中混合均匀,然后将其离心、干燥,得到预处理粉体;
(2)将步骤(1)得到的预处理粉体与还原剂混合并进行球磨处理,得到混合粉体;
(3)将步骤(2)得到的混合粉体煅烧处理,冷却后即可得到掺杂二氧化钒粉体。
优选的,步骤(1)中,所述醇溶液选自甲醇、乙醇、丙醇中的至少一种。
优选的,步骤(1)中,所述掺杂元素源中钨原子的用量占五氧化二钒中钒原子总量的2at.%;所述五氧化二钒与醇溶液的加入量之比为(5~20)g:(50~100)mL。
优选的,步骤(1)中,掺杂元素源选自钨酸、钨酸铵或钨酸钠中的一种。
优选的,步骤(1)中,所述混合为室温下高速搅拌,搅拌速度为800~1500r/min,搅拌时间为0.5~1h。
优选的,步骤(2)中,所述预处理粉体与还原剂的摩尔比为(5~10):1。
优选的,步骤(2)中,还原剂选自草酸、苹果酸、乳糖、葡萄糖中的至少一种。
优选的,步骤(2)中,所述球磨处理的球料比为(6~20):1,转速为150~500r/min,球磨时间为0.5~5.5h。
优选的,步骤(3)中,所述煅烧处理的升温速度为2~10℃/min,退火温度为400~850℃,退火时间为2h;条件为真空、氮气、氩气、氢气或氧气。
本发明的第二方面,提供上述的固相制备方法制备得到的掺杂二氧化钒纳米粉体,所述掺杂二氧化钒纳米粉体的粒径为15~50nm;所述掺杂二氧化钒纳米粉体的相变温度为32~38℃。
本发明的有益效果:
(1)本发明通过五氧化二钒与掺杂元素源在醇溶液中预处理,再经过机械球磨法及后续热处理制备掺杂二氧化钒粉体,不仅具有与水热法相媲美的高效掺杂效率,而且所得粉体物相纯、结晶度高、颗粒尺寸小;
(2)本发明的制备方法具有工艺简单、高效节能、反应条件温、绿色无污染等特点,使二氧化钒纳米粉体更好的应用在智能节能领域上。
附图说明
图1为实施例1所得掺杂钨原子比例为2%(2at.%W)样品的X-射线衍射图。
图2为实施例1所得样品的扫描电镜照片。
图3为实施例1掺杂样品的差示扫描量热(DSC)图。
图4为实施例4所得样品的扫描电镜照片。
图5为实施例4掺杂样品的差示扫描量热(DSC)图。
图6为实施例6所得掺杂样品的X-射线衍射图。
图7为实施例6掺杂样品的差示扫描量热(DSC)图。
图8为实施例6所得样品的扫描电镜照片。
图9为对比例1所得样品的扫描电镜照片。
图10为对比例1掺杂样品的差示扫描量热(DSC)图。
图11为对比例2所得样品的扫描电镜照片。
图12为对比例2未掺杂样品的差示扫描量热(DSC)图。
图13为对比例3掺杂样品的差示扫描量热(DSC)图。
图14为对比例4掺杂样品的差示扫描量热(DSC)图。
图15为对比例5掺杂样品的差示扫描量热(DSC)图。
具体实施方式
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术部分介绍的,二氧化钒纳米颗粒尺寸越小、结晶性能越好,其调光性能越优异。但二氧化钒纳米颗粒尺寸越小越容易产生应力,导致相变温度升高。水热法制备掺杂二氧化钒粉体虽然能得到10~35nm的二氧化钒纳米颗粒,但其相变温度仍在40℃以上。所以需要一种周期短、低能耗、安全、环境友好的制备掺杂二氧化钒纳米粉体的方法,使得到的掺杂二氧化钒纳米颗粒粒径小并且相变温度低。
基于此,本发明的目的是提供一种高效掺杂二氧化钒纳米粉体的固相制备方法。本发明将五氧化二钒与掺杂元素源在醇溶液中预处理,再经过机械球磨法及后续热处理制备掺杂二氧化钒粉体,通过醇溶液对五氧化二钒与掺杂元素源的预处理,制备得到的掺杂二氧化钒粉体不仅具有与水热法相媲美的高效掺杂效率,而且粉体物相纯、结晶度高、颗粒尺寸小,具有较低的相变温度,使二氧化钒纳米粉体更好的应用在智能节能领域上。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案,以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料,均可通过商业渠道购买得到。
实施例1
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g钨酸,并将其溶解于75mL乙醇中,利用高速搅拌机1200r/min在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入1.71g乳糖,球料比为10:1;320r/min转速下球磨2.5h,然后在真空条件下在管式炉中以6℃/min升温至500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。
实施例1制备的掺杂二氧化钒纳米粉体的X射线衍射峰如图1所示,实施例1制备的掺杂粉体结晶性能优异,所有衍射峰都对应二氧化钒单斜相(JCPDS卡片号43-1051)。如图2扫描电镜照片所示,所得产物平均粒径为28nm的分散均匀的纳米颗粒。如图3DSC所示,2at.%W掺杂二氧化钒粉体的相变温度为33.1℃,表明此方法降低二氧化钒相变温度的效果非常显著。
实施例2
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g的钨酸,并将其溶解于100mL的乙醇中,利用高速搅拌机1500r/min在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入1.71g乳糖,球料比为8:1;280r/min的转速下球磨3h,然后在真空条件下在管式炉中以10℃/min升温至500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。
根据扫描电镜照片和DSC检测,所得产物平均粒径为30nm的分散均匀的纳米颗粒,相变温度为36.5℃。
实施例3
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g的钨酸,并将其溶解于50mL的乙醇中,利用高速搅拌机800r/min在室温下搅拌1h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入0.9g葡萄糖,球料比为6:1;350r/min的转速下球磨3h,然后在真空条件下在管式炉中以2℃/min升温至500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。
根据扫描电镜照片和DSC检测,所得产物平均粒径为23nm的分散均匀的纳米颗粒,相变温度为36.3℃。
实施例4
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g钨酸,并将其溶解于50mL甲醇中,利用高速搅拌机1000r/min在室温下搅拌1h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入1.71g乳糖,球料比为10:1;150r/min转速下球磨5.5h,然后在真空条件下在管式炉中以3℃/min升温至500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。
如图4扫描电镜照片所示,所得产物平均粒径为28nm的分散均匀的纳米颗粒。如图5的DSC所示,2at.%W掺杂二氧化钒粉体的相变温度为37℃。
实施例5
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g的钨酸铵,并将其溶解于100mL的甲醇中,利用高速搅拌机1400r/min在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入0.9g葡萄糖,球料比为8:1;400r/min的转速下球磨1.5h,然后在氮气条件下在管式炉中以9℃/min升温至500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。
根据扫描电镜照片和DSC检测,所得产物平均粒径为26nm的分散均匀的纳米颗粒,相变温度为36.7℃。
实施例6
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g钨酸,并将其溶解于50mL丙醇中,利用高速搅拌机1100r/min在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入1.71g乳糖,球料比为15:1;500r/min转速下球磨0.5h,然后在真空条件下在管式炉中以4℃/min升温至500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。
如图6所示,实施例6中所得样品的X射线衍射峰都对应二氧化钒单斜相,且结晶性能优异。如图7扫描电镜照片所示,所得产物平均粒径为25.2nm的分散均匀的纳米颗粒。如图8的DSC所示,2at.%W掺杂二氧化钒粉体的相变温度为35.2℃。
实施例7
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g的钨酸钠,并将其溶解于100mL的丙醇中,利用高速搅拌机1300r/min在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入10.2g苹果酸,球料比为18:1;200r/min的转速下球磨4.5h,然后在氩气条件下在管式炉中以8℃/min升温至500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。
根据扫描电镜照片和DSC检测,所得产物平均粒径为26.4nm的分散均匀的纳米颗粒,相变温度为37.1℃。
对比例1
分别称取9.09g五氧化二钒粉末、0.51g钨酸及1.71g乳糖,320r/min转速下球磨2.5h,然后在真空条件下在管式炉中500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。根据扫描电镜照片如图9所示,掺杂二氧化钒纳米粉体的粒径为63nm。如图10的DSC所示,2at.%W掺杂二氧化钒粉体的相变温度为54.4℃,此外其吸热放热峰不明显,说明其结晶性能一般。表明用醇溶液对五氧化二钒与钨源进行预处理不仅可提高掺杂效率,而且可提高其结晶性能。
对比例2
称取9.09g五氧化二钒粉末,并将其溶解于50mL乙醇中,利用高速搅拌机在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到粉体;将粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入1.71g乳糖,320r/min的转速下球磨2.5h,然后在真空条件下在管式炉中500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。根据扫描电镜照片图11所示,掺杂二氧化钒纳米粉体的平均粒径为35nm。如图12所示,未掺杂样品的相变温度为82.5℃。
对比例3
称取9.09g五氧化二钒粉末,并将其溶解于50mL乙醇中,利用高速搅拌机在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到粉体;将粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入0.51g钨酸及1.71g乳糖,320r/min的转速下球磨2.5h,然后在真空条件下在管式炉中500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。根据扫描电镜照片,掺杂二氧化钒纳米粉体的平均粒径为33nm。如图13所示,样品的相变温度为50.4℃,说明用醇溶液对五氧化二钒进行预处理也可提高其掺杂效率,但效果不如同时对五氧化二钒和钨源预处理掺杂效率高。
对比例4
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g钨酸,并将其溶解于50mL乙酸中,利用高速搅拌机在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入1.71g乳糖,320r/min转速下球磨2.5h,然后在真空条件下在管式炉中500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。根据扫描电镜照片,掺杂二氧化钒纳米粉体的平均粒径为37nm。如图14所示,样品的相变温度为57.2℃,说明利用乙酸预处理可改善掺杂效果,但没醇溶液效果显著。
对比例5
分别称取9.09g五氧化二钒粉末和0.51g钨酸,并将其溶解于50mL去离子水中,利用高速搅拌机在室温下搅拌0.5h,然后将其离心、真空干燥,得到混合均匀的粉体;将混合粉体加入到100ml球磨罐中,同时加入1.71g乳糖,320r/min转速下球磨2.5h,然后在真空条件下在管式炉中500℃退火2h,冷却后即可得到黑色掺杂二氧化钒纳米粉体。根据扫描电镜照片,掺杂二氧化钒纳米粉体的平均粒径为34nm。如图15所示,样品的相变温度为54.8℃,说明利用去离子水预处理可改善掺杂效果,但没醇溶液效果显著。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已,并不用于限制本申请,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种掺杂二氧化钒纳米粉体的固相制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将五氧化二钒与掺杂元素源在醇溶液中混合均匀,然后将其离心、干燥,得到预处理粉体;所述醇溶液选自甲醇、乙醇、丙醇中的至少一种;
所述掺杂元素源中钨原子的用量占五氧化二钒中钒原子总量的2at.%;所述五氧化二钒与醇溶液的加入量之比为(5~20)g:(50~100)mL;
掺杂元素源选自钨酸、钨酸铵或钨酸钠中的一种;
所述混合为室温下高速搅拌,搅拌速度为800~1500r/min,搅拌时间为0.5~1h;
(2)将步骤(1)得到的预处理粉体与还原剂混合并进行球磨处理,得到混合粉体;
所述预处理粉体与还原剂的摩尔比为(5~10):1;
还原剂选自乳糖、葡萄糖中的至少一种;
所述球磨处理的球料比为(6~20):1,转速为150~500r/min,球磨时间为0.5~5.5h;
(3)将步骤(2)得到的混合粉体煅烧处理,冷却后即可得到掺杂二氧化钒粉体。
2.根据权利要求1所述的固相制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述煅烧处理的升温速度为2~10℃/min,退火温度为400~850℃,退火时间为2h;所述煅烧在真空、氮气、氩气、氢气或氧气中进行。
3.权利要求1或2所述的固相制备方法制备得到的掺杂二氧化钒纳米粉体,其特征在于,所述掺杂二氧化钒纳米粉体的粒径为15~50nm;所述掺杂二氧化钒纳米粉体的相变温度为32~38℃。
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