CN114162864A - 形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法 - Google Patents
形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114162864A CN114162864A CN202111335066.2A CN202111335066A CN114162864A CN 114162864 A CN114162864 A CN 114162864A CN 202111335066 A CN202111335066 A CN 202111335066A CN 114162864 A CN114162864 A CN 114162864A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- bismuth vanadate
- nitric acid
- bismuth
- solution
- growth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 81
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 81
- LSGOVYNHVSXFFJ-UHFFFAOYSA-N vanadate(3-) Chemical compound [O-][V]([O-])([O-])=O LSGOVYNHVSXFFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 81
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 title claims description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 46
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 32
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 26
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 23
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N divanadium pentaoxide Chemical compound O=[V](=O)O[V](=O)=O GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- RXPAJWPEYBDXOG-UHFFFAOYSA-N hydron;methyl 4-methoxypyridine-2-carboxylate;chloride Chemical compound Cl.COC(=O)C1=CC(OC)=CC=N1 RXPAJWPEYBDXOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 17
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 13
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 12
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 11
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 10
- UNTBPXHCXVWYOI-UHFFFAOYSA-O azanium;oxido(dioxo)vanadium Chemical compound [NH4+].[O-][V](=O)=O UNTBPXHCXVWYOI-UHFFFAOYSA-O 0.000 claims description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 9
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 claims description 9
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 7
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M sodium bicarbonate Substances [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 claims description 5
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000006136 alcoholysis reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 claims description 2
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 claims description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 15
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 3
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000006250 one-dimensional material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 41
- 239000002110 nanocone Substances 0.000 description 21
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 20
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 17
- 229910002915 BiVO4 Inorganic materials 0.000 description 12
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 11
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 8
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 7
- 238000003491 array Methods 0.000 description 6
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 2
- FFRBMBIXVSCUFS-UHFFFAOYSA-N 2,4-dinitro-1-naphthol Chemical compound C1=CC=C2C(O)=C([N+]([O-])=O)C=C([N+]([O-])=O)C2=C1 FFRBMBIXVSCUFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000000861 blow drying Methods 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005285 chemical preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- WUUHFRRPHJEEKV-UHFFFAOYSA-N tripotassium borate Chemical compound [K+].[K+].[K+].[O-]B([O-])[O-] WUUHFRRPHJEEKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G31/00—Compounds of vanadium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
- C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
- C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
- C01P2004/16—Nanowires or nanorods, i.e. solid nanofibres with two nearly equal dimensions between 1-100 nanometer
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
本发明属于半导体纳米材料制备技术领域，公开了一种在导电基底上实现快速合成形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的方法。该方法首先通过涂覆加煅烧的办法在基底上制备钒酸铋晶种层，然后在近常温和常压的条件下利用湿化学合成方法，调节生长环境的酸碱度和生长时间等其它参数，无须其它的结构导向剂和形貌调节剂的辅助下即可合成不同形貌的一维钒酸铋的纳米阵列。该方法可在导电基底上快速可控地合成不同的一维钒酸铋纳米阵列，整个生长过程快速高效，制备条件温和安全，极大的简化了传统的一维材料制备方法工艺。
Description
技术领域
本发明属于无机半导体纳米材料制备技术领域，具体涉及一种快速合成多种形貌钒酸铋纳米阵列的湿化学法制备工艺。
背景技术
近年来，利用太阳能驱动热力学禁阻化学反应作为一种新兴的绿色低碳技术，比如它可以直接利用太阳光催化水和二氧化碳等有机小分子的转化从而实现太阳能的存储利用。因此，在可再生能源的开发技术中，光(电)催化技术具有重大的潜力。
光(电)催化最重要的任务是开发一种高效的半导体光催化剂材料，目前已经报道的材料中，钒酸铋(BiVO4)是一种极具潜力的光催化剂，其具有较窄的光学带隙，约为2.4eV，可以吸收520nm前的太阳光，理论转化效率可达9.5％，且合成原料比较低廉，制备方法简单且稳定可靠，在可见光催化研究领域受到越来越多的关注，但目前的转化效率依旧偏低。一维半导体纳米阵列由于具有更高的吸光能力，更短的载流子收集距离和更高的比表面，在太阳能转化领域里得到广泛的应用。
目前已有的报道里，一维钒酸铋的制备多采用回流法和高温高压的水热法，如Jinzhan Su 等人提供了一种采用回流法制备钒酸铋纳米线的方法，将制备有钒酸铋晶种层的FTO放入装有钒酸铋的前驱溶液锥形瓶中，随后在加热搅拌下回流6h，再在500℃下退火(Jinzhan Su, LiejinGuo,SorachonYoriya,and Craig A.Grimes.Aqueous Growth ofPyramidal-Shaped BiVO4 Nanowire Arrays and Structural Characterization:Application to Photoelectrochemical Water Splitting.Cryst.Growth Des.,2010,10(2):856-861)。或是秦冬冬等人将加热回流改为120℃水热8h，在高温高压的条件下生长钒酸铋纳米阵列(CN 106745249 A)。但上述方法均存在以下缺点：1、对反应装置要求复杂，工艺繁琐耗时，因此成本高；2、制备过程在加热搅拌下回流，对于薄膜制备来说非常不利，容易损坏电极；3、水热反应要求专门的水热高压釜，对设备提出更高的要求，且有安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备过程简单易操作，无复杂设备要求，合成工艺简单高效安全的一维BiVO4纳米阵列的湿化学制备方法。
本发明的目的是通过如下方式实现的：形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法，主要包括以下步骤：首先在基底上通过涂覆前驱液加煅烧的方法进行BiVO4晶种层的制备，然后在近常温和常压的条件下利用湿化学合成方法，通过控制生长液的酸碱度、生长温度、生长时间等参数，通过钒酸铋前驱物的溶解重结晶在基底上生长得到不同形貌的一维BiVO4纳米阵列，该方法无须其它的结构导向剂和形貌调节剂的辅助，可在导电基底上快速可控地合成不同的一维钒酸铋纳米阵列，整个生长过程快速高效，制备条件温和安全，极大的简化了传统的一维材料制备方法工艺。
上述在基底上生长一维钒酸铋纳米阵列的方法，具体包括以下步骤：
(1)钒酸铋种子液的配制
将硝酸铋和五氧化二钒以及柠檬酸溶解在稀硝酸溶液中，形成溶液A，再向溶液A中加入PVA和醋酸，适当加热搅拌使粘结剂PVA完全溶解，得到具有一定粘度的钒酸铋种子液；
(2)钒酸铋晶种层的制备
将上述得到的钒酸铋种子液涂覆在洗净的基底上，再放入马弗炉中以5℃/min的升温速率升到400～500℃，热处理2～4h，得到钒酸铋晶种层；
(3)钒酸铋纳米阵列的制备
将等量的硝酸铋和偏钒酸铵溶解于稀硝酸溶液中，得到金黄色的溶液，待其完全溶解后缓慢加入一定量的NaHCO3至得到黄色的悬浊液，在继续搅拌的情况下将该悬浊液加入平放有晶种片(钒酸铋晶种层)的玻璃瓶中，保证悬浊液没过晶种层，放入预热好的水浴锅中静置生长一段时间后取出，快速用超纯水将电极冲洗干净，自然晾干备用；
(4)钒酸铋纳米阵列的退火
将步骤(3)制得的样品置于马弗炉或管式炉中，在一定温度下煅烧退火得到与导电基底具有良好接触的钒酸铋纳米阵列。
进一步的，在上述技术方案中，步骤(1)中，所述的硝酸铋、五氧化二钒、柠檬酸与稀硝酸溶液的比例2～5mmol：2～5mmol：8～10mmol：10～20mL，稀硝酸溶液中最终的硝酸的浓度在2～4M之间，,稀硝酸溶液、醋酸与PVA的比例为10～20mL：2～3mL：0.3～0.5g。
进一步的，在上述技术方案中，步骤(1)中，所述的PVA的醇解度为60％～90％，优选为90％；聚合度为1000～2000，优选为1788。
进一步的，在上述技术方案中，步骤(2)中，所述的导电基底为透明导电玻璃、Si片中的一种；所述的透明导电玻璃为FTO。
进一步的，在上述技术方案中，步骤(2)中，所述的涂覆方法为旋涂。
进一步的，在上述技术方案中，步骤(2)中，所述的旋涂转速为2000～3000rpm，旋涂时间为20～30s。
进一步的，在上述技术方案步骤(3)中，所述的硝酸铋和偏钒酸铵最终的摩尔浓度为 0.02～2M；向超纯水中加入浓硝酸得到稀硝酸的溶液，所述的浓硝酸的用量保证最终的硝酸浓度在2～4M之间；碳酸氢钠与稀硝酸溶液的比例为3～5g：20～30mL水浴生长的温度保持在40～80℃，生长时间维持在10-40min。
进一步的，在上述技术方案中，取适量悬浊液加入平放有钒酸铋晶种层的玻璃瓶中，加入的生长悬浊液为10～20mL；玻璃瓶的大小控制在与钒酸铋晶种层大小相当即可；。
进一步的，在上述技术方案中，步骤(4)中所述的升温煅烧退火是指在以2～10℃/min 的速率升温至300～600℃，保持60～120min。
由上述方法可控制备得到的形貌不同的一维钒酸铋纳米阵列，包括超细的纳米线、以及纳米棒、纳米锥三种形貌。前述的纳米线的直径小于50nm，长径比大于3；纳米棒的直径大于50nm，长径比同样大于3；纳米锥长度大于200nm，尖端直径在20纳米以下，且纳米锥尖端的曲率可控。
上述的形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列在光电催化中具有良好的应用前景，主要在半导体光电化学转化以及催化和光电领域的半导体器件中的应用。
本发明的机理为：
本发明采用溶液化学的方法在导电基底上可控生长不同形貌的一维钒酸铋纳米阵列。首先采用旋涂加煅烧的方法在导电基底上制备钒酸铋的晶种薄层，再以该晶种层为生长源，通过溶液化学的方法在基底上生长钒酸铋的纳米阵列。在水浴加热的环境下，钒酸铋阵列的生长为两个过程，首先作为生长液的悬浊液通过溶解重结晶快速向晶种层提供生长源，同时加热的过程让溶解在生长液中的CO2快速逸出使其pH快速升高，进一步加速溶液中的生长源在晶种层上的结晶生长。第一个过程中经历了钒酸铋纳米线阵列到纳米棒阵列的转变，由于 pH的变化很快，故这一生长过程很快，在短时间内即可完成。当生长过渡到第二个过程后，由于第一个过程中将生长液中溶解的生长源快速消耗和pH的升高，溶液中的生长源浓度变低，溶解重结晶过程大大减缓，生长液中的无定形沉淀直接在纳米棒上成核生长形成纳米颗粒，这些颗粒进一步沿着纳米棒进行有序自组装形成纳米锥的形貌。
本发明相对于现有技术，具有如下优点：
(1)本发明的制备方法非常简单，无须复杂的加热搅拌回流装置，也不用高温高压的水热反应釜，最简单的实验装置即可开展制备工作，这大大降低了合成的成本和难度。
(2)本发明通过简化工艺将生长时间缩短到10-40min，相较于已有的技术节省了大量时间。
(3)本发明中的提供的技术工艺仅需控制加入的NaHCO3的量和生长时间即可调控钒酸铋纳米阵列的形貌，实现从纳米线、纳米棒到纳米锥的连续调控，这在纳米材料的可控合成上相当实用。
(4)半导体的形貌和暴露晶面在光激发下的电荷分离中被证明是一种很有效的策略，但在一维半导体上很难实现。同时一维半导体本身具有强化吸光的效果和超高的比表面积。本发明对一维半导体阵列的形貌控制可同时将上述三个优点集于一身，这对开发高效的光电化学转化器件非常有用。
(5)本发明的制备过程简单高效，无有毒有害物质产生，生长过程极其温和安全。
附图说明
图1为实施例1中的方法制备的钒酸铋纳米线阵列的SEM图。
图2为实施例2中的方法制备的钒酸铋纳米棒阵列的SEM图。
图3为实施例3中的方法制备的钒酸铋纳米锥阵列的SEM图。
图4为实施例1～3中的方法制备的钒酸铋纳米阵列的XRD图。
图5为实施例3中的方法制备的钒酸铋纳米锥阵列的光电化学图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
下述实施例中的FTO玻璃要先进行清洗，其过程为：用金刚石玻璃刀将FTO玻璃裁成2cm×2cm的规格，依次用丙酮、异丙醇、乙醇分别超声清洗15min，除去表面油污，最后用超纯水超声清洗干净，用氮气枪吹干后密封保存备用。
下述实施例中PVA的醇解度为90％，聚合度为1788。
实施例1
钒酸铋纳米线的制备生长工艺如下：
取3mmol的硝酸铋、1.5mmol的五氧化二钒和8mmol的柠檬酸溶解在10mL的2M HNO3溶液中，得到蓝色透明溶液后加入0.3g PVA和2mL醋酸，60℃下搅拌至完全溶解，得到黏稠的钒酸铋种子液；将所得的钒酸铋种子液旋涂在洁净的FTO玻璃上，控制转速为3000rpm，时间为30s，完成后将FTO玻璃置于干净的空间中晾置6h，然后置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至400℃，煅烧3h得到黄色的钒酸铋种子层；
在25mL玻璃烧杯中，加入18mL超纯水和2mL HNO3，然后加入1mmol的偏钒酸铵和1mmol的硝酸铋，待其完全溶解后缓慢加入3.7g的NaHCO3，在继续搅拌下取出10mL该悬浊液加入到平放有晶种片的25mL烧杯中，置于60℃下生长10min后取出，快速用去离子水冲洗干净后自然晾干即得到BiVO4纳米线阵列。
对上述BiVO4纳米线阵列进行SEM形貌表征，如图1所示，本实施例中制备的BiVO4纳米线阵列形貌均一，单根纳米线的直径在20nm左右，具有大于3的长径比，为四方棒状形貌。
对上述BiVO4纳米线阵列进行XRD表征，如图4所示，本实施例中制备的BiVO4纳米线阵列具备良好的结晶态，有明显的晶体生长方向，取向为[004]方向。
将制得的纳米阵列样品(BiVO4纳米线阵列)置于马弗炉中，以5℃/min的升温速率，在400℃下煅烧退火2h得到与导电基底具有良好接触的钒酸铋纳米阵列。
实施例2：钒酸铋纳米棒阵列的生长制备
取4mmol的硝酸铋、2mmol的五氧化二钒和8mmol的柠檬酸溶解在12mL的3M HNO3溶液中，得到蓝色透明溶液后加入0.38g PVA和2.5mL醋酸，60℃下搅拌至完全溶解，得到黏稠的钒酸铋种子液；将所得的钒酸铋种子液旋涂在洁净的FTO玻璃上，控制转速为2500rpm，时间为30s，完成后将FTO玻璃置于干净的空间中晾置8h，然后置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至400℃，煅烧3h得到黄色的钒酸铋种子层；
在25mL玻璃烧杯中，加入23mL超纯水和3mL HNO3，然后加入1.2mmol的硝酸铋和1.2mmol的偏钒酸铵，待其完全溶解后缓慢加入3.9g的NaHCO3，在继续搅拌下取出12mL该悬浊液加入到平放有晶种片的25mL烧杯中，置于60℃下生长20min后取出，快速用去离子水冲洗干净后自然晾干即得到BiVO4纳米棒阵列。
对上述BiVO4纳米棒阵列进行SEM形貌表征，如图2所示，本实施例中制备的BiVO4纳米棒阵列形貌均一，单根纳米棒的直径在200nm左右，为规则的四方纳米棒状形貌。
对上述BiVO4纳米棒阵列进行XRD表征，如图4所示，本实施例中制备的BiVO4纳米棒阵列具备良好的结晶态，同样具有明显的晶体生长方向，取向为[004]方向。
将制得的纳米阵列样品(BiVO4纳米棒阵列)置于马弗炉中，以5℃/min的升温速率，在400℃下煅烧退火2h得到与导电基底具有良好接触的钒酸铋纳米阵列。
实施例3：钒酸铋纳米锥阵列的生长制备
取5mmol的硝酸铋、2.5mmol的五氧化二钒和10mmol的柠檬酸溶解在15mL的4MHNO3溶液中，得到蓝色透明溶液后加入0.4g PVA和3mL醋酸，60℃下搅拌至完全溶解，得到黏稠的钒酸铋种子液；将所得的钒酸铋种子液旋涂在洁净的FTO玻璃上，控制转速为3000rpm，时间为30s，完成后将FTO玻璃置于干净的空间中晾置12h，然后置于马弗炉中，以5℃/min的速率升温至400℃，煅烧3h得到黄色的钒酸铋种子层；
在25mL玻璃烧杯中，加入27mL超纯水和4mL HNO3，然后加入1.2mmol的硝酸铋和1.2mmol的偏钒酸铵，待其完全溶解后缓慢加入4.2g的NaHCO3，在继续搅拌下取出15mL该悬浊液加入到平放有晶种片的25mL烧杯中，置于70℃下生长40min后取出，快速用去离子水冲洗干净后自然晾干即得到BiVO4纳米锥阵列。
对上述BiVO4纳米锥阵列进行SEM形貌表征，如图3所示，本实施例中制备的BiVO4纳米锥阵列形貌均一，纳米锥呈现金字塔形状的形貌，尖端部分约为10nm左右，纳米锥的形貌均一。
对上述BiVO4纳米锥阵列进行XRD表征，如图4所示，本实施例中制备的BiVO4纳米锥阵列具备良好的结晶态，且形貌的变化并未改变其晶体生长方向，取向同样为[004] 方向。
将制得的纳米阵列样品(BiVO4纳米锥阵列)置于马弗炉中，以5℃/min的升温速率，在400℃下煅烧退火2h得到与导电基底具有良好接触的钒酸铋纳米阵列。
光电化学测试：运用CHI760D电化学工作站，采用三电极体系，以钒酸铋纳米锥阵列为工作电极，铂片为对电极，Ag/AgCl为参比电极；对实施例3中的钒酸铋纳米锥阵列在300W氙灯光照下进行LSV测试，电解液为0.5M的硼酸钾缓冲溶液(pH为9)，电势窗口为0.2-1.3V(相对于RHE)，结果如图5所示，制备得到的纳米锥阵列具有较好的光电响应特性，表明其在光电化学转化领域具有良好的应用前景。
实施例4：钒酸铋纳米棒阵列的生长制备
取5mmol的硝酸铋、2.5mmol的五氧化二钒和10mmol的柠檬酸溶解在15mL的3MHNO3溶液中，得到蓝色透明溶液后加入0.45g PVA和4mL醋酸，60℃下搅拌至完全溶解，得到黏稠的钒酸铋种子液；将所得的钒酸铋种子液旋涂在洁净的FTO玻璃上，控制转速为2800rpm，时间为20s，完成后将FTO玻璃置于干净的空间中晾置12h，然后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至400℃，煅烧4h得到黄色的钒酸铋种子层；
在25mL玻璃烧杯中，加入25mL超纯水和5mL HNO3，然后加入1.5mmol的硝酸铋和1.5mmol的偏钒酸铵，待其完全溶解后缓慢加入4.7g的NaHCO3，在继续搅拌下取出20mL该悬浊液加入到平放有晶种片的25mL烧杯中，置于80℃下生长15min后取出，快速用去离子水冲洗干净后自然晾干即得到BiVO4纳米棒阵列。
将制得的纳米阵列样品(BiVO4纳米棒阵列)置于马弗炉中，以3℃/min的升温速率，在500℃下煅烧退火1h得到与导电基底具有良好接触的钒酸铋纳米阵列。
实施例5：钒酸铋纳米锥阵列的生长制备
取5mmol的硝酸铋、2.5mmol的五氧化二钒和10mmol的柠檬酸溶解在15mL的3MHNO3溶液中，得到蓝色透明溶液后加入0.45g PVA和4mL醋酸，60℃下搅拌至完全溶解，得到黏稠的钒酸铋种子液；将所得的钒酸铋种子液旋涂在洁净的FTO玻璃上，控制转速为3000rpm，时间为20s，完成后将FTO玻璃置于干净的空间中晾置12h，然后置于马弗炉中，以2℃/min的速率升温至400℃，煅烧3h得到黄色的钒酸铋种子层；
在25mL玻璃烧杯中，加入26mL超纯水和4mL HNO3，然后加入1.5mmol的硝酸铋和1.5mmol的偏钒酸铵，待其完全溶解后缓慢加入5.0g的NaHCO3，在继续搅拌下取出20mL该悬浊液加入到平放有晶种片的25mL烧杯中，置于70℃下生长35min后取出，快速用去离子水冲洗干净后自然晾干即得到BiVO4纳米锥阵列。
将制得的纳米阵列样品(BiVO4纳米锥阵列)置于马弗炉中，以2℃/min的升温速率，在450℃下煅烧退火2h得到与导电基底具有良好接触的钒酸铋纳米阵列。
Claims (10)
1.形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法，其特征在于：主要包括以下步骤：
1)钒酸铋种子液的配制
将硝酸铋和五氧化二钒以及柠檬酸溶解在稀硝酸溶液中，形成溶液A，再向溶液A中加入PVA和醋酸，搅拌至完全溶解，得到钒酸铋种子液；
(2)钒酸铋晶种层的制备
将上述得到的钒酸铋种子液涂覆在基底上，再放入马弗炉中以一定的的升温速率升到400～500℃，热处理2～4h，得到钒酸铋晶种层；
(3)钒酸铋纳米阵列的制备
将等量的硝酸铋和偏钒酸铵溶解于稀硝酸溶液中，加入一定量的NaHCO3至得到黄色的悬浊液，将悬浊液加入平放有钒酸铋晶种层的玻璃瓶中，放入水浴锅中静置生长一段时间后取出，用超纯水将电极冲洗干净，自然晾干备用；
(4)钒酸铋纳米阵列的退火
将步骤(3)制得的样品置于马弗炉或管式炉中，在一定温度下煅烧退火，得到钒酸铋纳米阵列。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的硝酸铋、五氧化二钒、柠檬酸与稀硝酸溶液的比例2～5mmol：2～5mmol：8～10mmol：10～20mL，稀硝酸溶液中硝酸的浓度为2～4M，,稀硝酸溶液、醋酸与PVA的比例为10～20mL：2～3mL：0.3～0.5g。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的PVA的醇解度为60％～90％，聚合度为1000～2000。
4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的基底为透明导电玻璃、硅片中的一种。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的涂覆方法为旋涂。
6.根据权利要求4所述的合成方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的旋涂转速为1000～3000rpm，旋涂时间为20～30s。
7.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤(3)中，所述的硝酸铋和偏钒酸铵的摩尔浓度为0.02～2M；所述的稀硝酸溶液中硝酸的浓度为2～4M；碳酸氢钠与稀硝酸溶液的体积比例为3～5g：20～30mL；水浴生长的温度保持在40～80℃，生长时间维持在10-40min。
8.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的煅烧退火是指在以2～10℃/min的速率升温至300～600℃，保持60～120min。
9.一种权利要求1～8中任一项所述的方法制备得到的一维钒酸铋纳米阵列。
10.权利要求9所述的一维钒酸铋纳米阵列在半导体光电化学转化，催化和光电领域的半导体器件中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111335066.2A CN114162864A (zh) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | 形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111335066.2A CN114162864A (zh) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | 形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114162864A true CN114162864A (zh) | 2022-03-11 |
Family
ID=80478895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111335066.2A Pending CN114162864A (zh) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | 形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114162864A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104150534A (zh) * | 2014-07-16 | 2014-11-19 | 河南师范大学 | 不同微观形貌钒酸铋可见光催化剂的仿生合成方法 |
| GB201705315D0 (en) * | 2017-04-02 | 2017-05-17 | Landa Labs (2012) Ltd | Compositions and methods for coloring fibers |
| CN106745249A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-31 | 西北师范大学 | BiVO4纳米线的水热法制备工艺 |
| CN107149932A (zh) * | 2016-03-04 | 2017-09-12 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 晶面比例可控的钒酸铋光催化剂的合成及催化剂和应用 |
| CN110339843A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-10-18 | 重庆大学 | 一种磁性氧化铋/钒酸铋复合光催化剂的制备方法 |
| CN111151238A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-15 | 江西师范大学 | 一种钒酸铋异质结BiVO4/Bi25VO40材料及其制备方法和应用 |
-
2021
- 2021-11-11 CN CN202111335066.2A patent/CN114162864A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104150534A (zh) * | 2014-07-16 | 2014-11-19 | 河南师范大学 | 不同微观形貌钒酸铋可见光催化剂的仿生合成方法 |
| CN107149932A (zh) * | 2016-03-04 | 2017-09-12 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 晶面比例可控的钒酸铋光催化剂的合成及催化剂和应用 |
| CN106745249A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-05-31 | 西北师范大学 | BiVO4纳米线的水热法制备工艺 |
| GB201705315D0 (en) * | 2017-04-02 | 2017-05-17 | Landa Labs (2012) Ltd | Compositions and methods for coloring fibers |
| CN110339843A (zh) * | 2019-08-08 | 2019-10-18 | 重庆大学 | 一种磁性氧化铋/钒酸铋复合光催化剂的制备方法 |
| CN111151238A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-15 | 江西师范大学 | 一种钒酸铋异质结BiVO4/Bi25VO40材料及其制备方法和应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JINZHAN SU, LIEJIN GUO, SORACHON YORIYA, AND CRAIGA. GRIMES: "Aqueous Growth of Pyramidal-Shaped BiVO4 Nanowire Arrays andStructural Characterization: Application to Photoelectrochemical WaterSplitting" * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Effect of oxygen vacancy on enhanced photocatalytic activity of reduced ZnO nanorod arrays | |
| CN107195789B (zh) | 一种无机混合卤素钙钛矿薄膜的制备方法及其在制备太阳能电池方面的应用 | |
| CN101916670B (zh) | 一种TiO2纳米花薄膜光阳极及其制备方法 | |
| US11713512B2 (en) | Bismuth vanadate electrode comprising vanadium-functionalized graphene quantum dots and a preparation method thereof | |
| CN106986555A (zh) | 一种ZIF‑8/ZnO纳米棒阵列薄膜材料及其制备方法 | |
| CN101348931A (zh) | 一种脉冲电沉积制备均匀透明氧化锌纳米棒阵列薄膜的方法 | |
| CN108579724B (zh) | 一种透明导电基底上生长的[010]方向钒酸铋纳米管晶体阵列及其制备和应用 | |
| CN105618153B (zh) | 一种基于层级组装的硅‑二氧化钛‑聚吡咯三维仿生复合材料及应用 | |
| CN114392734B (zh) | 一种氧化钨复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN110120455A (zh) | 一种基于双效种子生长法的钙钛矿光伏薄膜制备方法 | |
| CN106986373A (zh) | 一种ZnO纳米棒的制备方法 | |
| CN102881462A (zh) | 一种ZnO纳米棒阵列/纳米颗粒团聚微球复合膜的制备方法 | |
| CN101824613B (zh) | 一种在氧化锌铝导电薄膜上生长氧化锌纳米线阵列的方法 | |
| CN105731518B (zh) | 一种八面体氧化亚铜晶体常温结晶制备方法 | |
| CN109979643B (zh) | ZnO/ZnSe/CdSe/MoS2核壳结构薄膜电极的制备方法和应用 | |
| CN101239735A (zh) | 一种制备硫化镉纳米棒阵列的方法 | |
| CN114162864A (zh) | 形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法 | |
| CN105236472A (zh) | 一种SnO2纳米线阵列的制备方法 | |
| CN110841686B (zh) | 一种碳包覆亚氧化钛复合氮化碳复合材料及其制法和应用 | |
| CN100582012C (zh) | 一种高度c轴取向的纳米多孔氧化锌薄膜及其制备方法 | |
| CN102191038A (zh) | 一种在水相中低温制备CdTe量子点的方法 | |
| CN114150338B (zh) | 一种碳量子点和氮掺杂氮化碳共修饰的氧化锌光阳极及其制备方法 | |
| CN106390991A (zh) | 一种超细wo3纳米线的制备方法及其应用 | |
| CN113871631B (zh) | 一种处理偶氮染料废水的光催化燃料电池及其制备方法 | |
| CN105542456A (zh) | 一种基于三元层级组装的硅-二氧化钛-聚苯胺复合材料及应用 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220311 |