CN1526648A - 一种低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法。其主要特征是以油包水型微乳液为反应介质,以无机镍盐、二硫化碳、尿素为反应物,在反应釜中直接水热处理合成硫化镍一维纳米针、管或二维纳米薄层片晶。油包水型微乳液为“十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)/正戊醇/正己烷/水”和“曲拉通X-100(Triton X-100)/异丙醇/环己烷/水”两种体系。水热在120~200℃下处理5~48小时。所得纳米薄层片的厚度为2~10nm,纳米针或管的直径为5~200nm,长度为50~2000nm。通过改变反应时间、反应物浓度、反应物配比和反应介质类型,或添加十二硫醇,可实现产物的形貌可控与成分可调。本方法具有产物形貌可控、成分可调、工艺与设备简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及硫化镍一维纳米针、管或二维纳米薄层片晶的湿化学制备方法,属纳米材料领域。
背景技术
纳米材料是指至少有一维在尺度上处于1~100nm的材料,有零维、一维和二维之分。较块体材料而言,纳米材料具有优异的力学、电学、光学、催化等性能,有着巨大应用前景,近年来成为材料科学领域最为活跃的研究方向,属材料科学的前沿。许多物化性能和科学现象都与材料的尺度与维度有密切关系,因此,材料的尺寸、维度及形貌的可控合成成为纳米材料研究的主要内容之一。近年来,金属氧化物、金属硫化物及金属的一维纳米线(棒、针)、二维纳米薄片以及零维的量子点均有大量文献报道。
金属硫化物是一类重要的半导体材料,具有优异的电学性能、发光性能和催化性能。作为金属硫化物的重要一员,硫化镍具有许多重要的性能和工业应用。例如,硫化镍存在α-β相变并伴随4%左右的体积变化,介稳硫化镍可作为半导体材料的有效相变增韧剂;硫化镍具有优异催化性能,可用作加氢脱硫和加氢脱氮过程的催化剂,尤其是石油和天然气中硫和含硫化合物的脱除。此外,硫化镍还可用作光电池的涂层材料。硫化镍的传统合成方法是于密封炉管中在高温下金属镍粉和单质硫反应,该法存在明显的缺点:其一,硫的熔点低、易挥发,产物的成分很难控制;其二,高温处理总是获得热力学上稳定的物相,而很难得到介稳相。近年来,硫化镍的低温液相合成引起了极大的兴趣。J.Grau等人(J.Am.Ceram.Soc.Vol.80(1997)No.4pp.941-951)报道了氯化镍水溶液与硫代乙酰胺、尿素在70~90℃下反应生成NiS1.03,但产物的粒径处在微米量级。Y.U.Jeong等人(Inorg.Chem.Vol.40(2001)No.1pp.73-77)报道了氯化镍与连二亚硫酸钠在室温水溶液中反应合成结晶Ni3S2、Ni3S4以及弱结晶的非化学计量产物NiySx。B.Xie等人(Chem.Lett.Vol.31(2002)pp.254-255)报道了以氯化镍与硫代硫酸钠为原料,在C17H33COOK辅助的水热环境下(140℃)合成了NiS纳米晶须。X.Jiang等人(Adv.Mater.Vol.13(2001)No.16pp.1278-1281)报道了以氯化镍为镍源在浓氨水-二硫化碳体系中制得了硫化镍层卷结构,但直径很大(0.5~1.0μm)。S.-H.Yu等人(Adv.Funct.Mater.Vol.12(2002)No.4pp.277-285)报道了以镍块(或硝酸镍)与元素硫为原料,在乙二胺、水、乙醇、丙酮、吡啶等溶剂中合成了不同物相的硫化镍。R.D.Tilley等人(J.Phys.Chem.BVol.106(2002)No.42pp.10895-10901)报道了以H2S/H2混和气体硫化附着在石墨化碳黑上的镍离子,制备了不同物相的硫化镍纳米颗粒。Y.Hu等人(Adv.Mater.Vol.15(2003)No.9pp.726-729)报道了硫化镍微米球的合成。但是上述制备方法所得产物的形貌单一、不可控,并且尺寸较大,有的还需严格的密封装置,工艺、设备复杂。本发明利用廉价的化学试剂为原料,以简易的反应釜为反应容器,制备了硫化镍的一维纳米针、管和二维纳米薄层片晶。适当调节反应条件和反应物配比即可得到不同成分和不同形貌的产物。本发明提供的制备方法具有产物形貌可控、成分可调、工艺与设备简单的优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低维硫化镍纳米晶的湿化学合成方法,其特点是:产物形貌可控、成分可调、工艺与设备简单。
所述的低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法,其特征在于:以油包水型微乳液为反应介质,以无机镍盐、二硫化碳、尿素为反应物,在反应釜中进行水热处理,所得悬浮液经减压蒸馏、洗涤、干燥处理,制得硫化镍一维纳米针、管或二维纳米薄层片晶。由此可见本发明提供的低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法具体步骤可分为两步:
第一步:油包水型微乳液的配制;第二步:水热处理。现分别详述如下:
1、油包水型微乳液的配制
先将无机镍盐溶于蒸馏水配成Ni2+浓度为0.01~0.5mol/L的水溶液,作微乳液的水相,二硫化碳与尿素等摩尔加入,其加入量与Ni2+的摩尔比为1~6。在“十六烷基三甲基镍化铵(CTAB)/正戊醇/正己烷/水”反应介质中:CTAB为表面活性剂,其浓度为0.1mol/L;正戊醇为助表面活性剂,助表面活性剂与表面活性剂的摩尔比为8.7;正己烷为油相;无机镍盐水溶液为水相,水相与表面活性剂的摩尔比W为10~60。先将CTAB和尿素加入到无机镍盐水溶液、正戊醇、正己烷的混合液中,磁力搅拌10~15分钟,继而超声处理10~15分钟即得半透明的乳液,再将该半透明乳液置于80~100℃的烘箱里加热处理3~5分钟即可得光透明的微乳液,加入二硫化碳(或同时加入十二硫醇)并磁力搅拌5分钟即可装入反应釜。在“曲拉通X-100<(Triton X-100)/异丙醇/环己烷/水”反应介质中:Triton X-100、异丙醇、环己烷、无机镍盐水溶液分别为表面活性剂、助表面活性剂、油相与水相,其体积比为6∶7.5∶30∶30。将Triton X-100、尿素加入到无机镍盐水溶液、异丙醇、环己烷的混合溶液中,磁力搅拌10~15分钟,然后超声10~15分钟即可得澄清透明的微乳液,再加入二硫化碳并磁力搅拌5分钟即可装釜。所述的无机镍盐为硝酸镍、氯化镍和醋酸镍中的一种、二种或三种。
2、水热处理
将配制的微乳液装入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中,微乳液的填充度为70~80%,密封严实后在120~200℃的温度下保温5~48小时后自然冷却至室温。收集到的灰黑色悬浮液在温度低于60℃、真空度小于0.1MPa的条件下减压蒸馏以除去易挥发的有机溶剂,然后依次经丙酮、水、无水乙醇洗涤沉淀物,除去其中的硫或其他有机物、表面活性剂等杂质,然后将洗涤产物置于干燥器中室温干燥。
通过控制保温时间、微乳液体系及参数、Ni2+浓度或加入十二硫醇,可制得不同形貌的硫化镍纳米晶:不同直径的纳米针或管,不同厚度的纳米薄层片晶,单分散的小片晶,纳米棒晶。通过控制反应物Ni2+与二硫化碳的比例即可得到不同成分的产物:Ni7S6、针镍矿NiS、六方相NiS1.03、Ni3S4、NiS2。
反应过程如下:
所得纳米薄层片的厚度为2~10nm,纳米针或管的直径为5~200nm,长度为50~2000nm。
附图说明
图1以“CTAB/正戊醇/正己烷/水”为反应介质,[Ni2+]=0.1mol/L,W=30,130℃水热所得产物的X-射线衍射图谱:(a)Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶1∶1,15小时;(b)Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,5小时;(c)Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,15小时;(d)Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=6∶6∶6,15小时。●-NiS1.03;○-针镍矿NiS;▼-Ni7S6;■-S;□-Ni3S4;▲-NiS2
图2以“CTAB/正戊醇/正己烷/水”为反应介质,[Ni2+]=0.1mol/L,W=30,
Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,水热(a)5小时和(b)15小时所得样品的透射电镜照片。
图3以“CTAB/正戊醇/正己烷/水”为反应介质,[Ni2+]=0.1mol/L,
Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,130℃下水热15小时所得样品的透射电镜照片:(a)W=15,(b)W=45。
图4以“CTAB/正戊醇/正己烷/水”为反应介质,[Ni2+]=0.1mol/L,W=30,
Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,添加1.0mL十二硫醇,130℃下水热15小时所得样品的透射电镜照片。
图5以“Triton X-100/异丙醇/环己烷/水”为反应介质,[Ni2+]=0.1mol/L,
Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,130℃下水热15小时所得样品的透射电镜照片。
图6以“CTAB/正戊醇/正己烷/水”为反应介质,[Ni2+]=0.01mol/L,W=30,
Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,130℃下水热5小时所得样品的透射电镜照片。
具体实施方式
实施例1:
将2.73g CTAB与0.07g尿素溶于7.0mL正戊醇与4.0mL镍盐水溶液(W=30,[Ni2+]=0.1mol/L)的混和溶液中,然后加入正己烷直至总体积约为75 mL;该混和溶液分别经磁力搅拌、超声处理15分钟后在100℃左右加热5分钟即得清澈透明的微乳液;再加入0.07mL的二硫化碳,即Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,磁力搅拌5分钟后装入反应釜中,在130℃下分别保温5与15小时后自然冷却至室温。所得的灰黑色悬浮液在60℃下减压蒸馏以除去易挥发的有机溶剂后,依次经丙酮、水、无水乙醇洗涤,进而置于干燥器中室温干燥得产物。图1(b)与图1(c)分别是水热5小时和15小时所得的X-射线衍射图。由图可知,水热5小时的主晶相为六方相NiS1.03,水热15小时所得产物的主晶相为六方相NiS1.03与菱方相针镍矿NiS的混合物。图2(a)与图2(b)分别是和15小时所得透射电镜照片。水热5小时的产物为二维薄层片结构,其厚度小于10nm;水热15小时的产物为针状结构,其直径为50~200nm,长度超过1.0μm。
实施例2:
将2.73g CTAB与0.03g(或0.15g)尿素溶于7.0mL正戊醇与4.0mL镍盐水溶液(W=30,[Ni2+]=0.1mol/L)的混和溶液中,然后加入正己烷直至总体积约为75mL;该混和溶液分别经磁力搅拌、超声处理15分钟后在100℃左右加热5分钟即得清澈透明的微乳液;再加入0.03mL(或0.15mL)的二硫化碳,即Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶1∶1(或Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶6∶6),磁力搅拌5分钟后装入反应釜中,在130℃保温15小时后自然冷却至室温。所得的灰黑色悬浮液在60℃下减压蒸馏以除去易挥发的有机溶剂后,依次经丙酮、水、无水乙醇洗涤,进而置于干燥器中室温干燥得产物。图1(a)与图1(d)分别是Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶1∶1与Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶6∶6时所得产物的X-射线衍射图。由图可知,当Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶1∶1时所得产物为Ni7S6与NiS1.03的混合物,而当Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=6∶6∶6时所得产物为Ni3S4与NiS2的混合物。
实施例3:
将2.73g CTAB与0.035g(或0.105g)尿素溶于7.0mL正戊醇与2.0mL(或6.0mL)镍盐水溶液(W=15(或W=45),[Ni2+]=0.1mol/L)的混和溶液中,然后加入正己烷直至总体积约为75m;该混和溶液分别经磁力搅拌、超声处理15分钟后在100℃左右加热5分钟即得清澈透明的微乳液;再加入0.035mL(或0.105mL)的二硫化碳,即Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3,磁力搅拌5分钟后装入反应釜中,在130℃下保温15小时后自然冷却至室温。所得的灰黑色悬浮液在60℃下减压蒸馏以除去易挥发的有机溶剂后,依次经丙酮、水、无水乙醇洗涤后置于干燥器中室温干燥得产物。图3(a)和图3(b)分别是W=15和W=45时所得产物透射电镜照片。如图所示,W=15时所得产物为直径小于10nm、长度约100nm的针状形貌;W=45时所得产物为不规则、厚度较大的片晶和直径超过100nm的棒晶。
实施例4:
将2.73g CTAB与0.07g尿素溶于7.0mL正戊醇与4.0mL镍盐水溶液(W=30,[Ni2+]=0.1mol/L)的混和溶液中,然后加入正己烷直至总体积约为75mL。该混和溶液分别经磁力搅拌、超声处理15分钟后在100℃左右加热5分钟即得清澈透明的微乳液,再加入0.07mL的二硫化碳和1.0mL十二硫醇,磁力搅拌5分钟后装入反应釜中,在130℃下保温15小时后自然冷却至室温。所得的灰黑色悬浮液在60℃下减压蒸馏以除去易挥发的有机溶剂后,依次经丙酮、水、无水乙醇洗涤后置于干燥器中室温干燥得产物。图4为产物的透射电镜照片,由图可知,产物不规则形状的单分散片状结构。
实施例5:
将7.5mL Triton X-100与6.0mL镍盐水溶液([Ni2+]=0.1mol/L)加入到30mL异丙醇,再加入30mL环己烷与0.15g尿素,分别经磁力搅拌、超声处理15分钟可得澄清透明的微乳液,再加入二硫化碳0.15mL(Ni2+∶CS2∶CO(NH2)2=1∶3∶3),磁力搅拌5分钟即装入反应釜。在130℃下保温15小时后自然冷却至室温即得灰黑色悬浮液,在60℃下减压蒸馏除去易挥发的有机溶剂后,再依次经丙酮、水、无水乙醇洗涤后置于干燥器中室温干燥得产物。图5为产物的透射电镜照片,由图可知,产物为平整舒展的较厚的层片结构,而非卷曲的针状结构。
实施例6:
将2.73g CTAB与0.01g尿素溶于7.0mL正戊醇与4.0mL镍盐水溶液(W=30,[Ni2+]=0.01mol/L)的混和溶液中,然后加入正己烷直至总体积约为75mL。该混和溶液分别经磁力搅拌、超声处理15分钟后在100℃左右加热5分钟即得清澈透明的微乳液,再加入0.01mL的二硫化碳,磁力搅拌5分钟后装入反应釜中,在130℃下保温15小时后自然冷却至室温。所得的灰黑色悬浮液在60℃下减压蒸馏以除去易挥发的有机溶剂后,依次经丙酮、水、无水乙醇洗涤后置于干燥器中室温干燥得产物。图6为产物的透射电镜照片。如图所示,产物为厚度很薄(小于5nm)的二维薄层结构。
Claims (8)
1.一种低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法,其特征在于:以油包水型微乳液为反应介质,以无机镍盐、二硫化碳、尿素为反应物,在反应釜中进行水热处理,所得悬浮液经减压蒸馏、洗涤、干燥处理,制得硫化镍一维纳米针、管或二维纳米薄层片晶。
2.按权利要求1所述的低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法,其特征在于:油包水型微乳液为CTAB/正戊醇/正己烷/水或Triton X-100/异丙醇/环己烷/水。
3.按权利要求2所述的低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法,其特征在于:CTAB/正戊醇/正己烷/水的制备是以CTAB为表面活性剂,其浓度为0.1mol/L,以正戊醇为助表面活性剂,助表面活性剂与表面活性剂的摩尔比为8.7,以正己烷为油相,无机镍盐水溶液为水相,水相与表面活性剂的摩尔比W为10~60;Triton X-100/异丙醇/环己烷/水的制备是以Triton X-100为表面活性剂,以异丙醇为助表面活性剂,以环己烷为油相,以无机镍盐水溶液为水相,Triton X-100、异丙醇、环己烷、无机镍盐水溶液的体积比为6∶7.5∶30∶30。
4.按权利要求1或3所述的油包水型微乳液的制备方法,其特征在于:无机镍盐水溶液是由硝酸镍、氯化镍和醋酸镍中的一种、两种或三种溶于蒸馏水制得,Ni2+浓度为0.01~0.5mol/L。
5.按权利要求1所述的低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法,其特征在于:二硫化碳与尿素等摩尔加入相等,加入量少SNi2+的摩尔比为1~6。
6.按权利要求1所述的低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法,其特征在于:反应釜为不锈钢材质并有聚四氟乙烯内衬,微乳液的填充度70~80%。
7.按权利要求1所述的低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法,其特征在于:水热处理在120~200℃下保温5~48小时;减压蒸馏的操作温度低于60℃,真空度小于0.1MPa。
8.按权利要求1所述的低维硫化镍纳米晶的湿化学制备方法,其特征在于所制得纳米薄层片的厚度为2~10nm,纳米针或管的直径为5~200nm,长度为50~2000nm。
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