一種V₂O₅納米線的製備方法

2023-10-20 06:01:17

專利名稱：一種V2O5納米線的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種V2O5納米線的製備方法,屬於納米材料技術領域。
背景技術：
納米材料作為一種高性能的新型材料，與傳統材料 有許多不同的物理化學性能，在化學化工、生物醫學、複合材料、信息、光電轉換等領域有著廣闊的應用前景。自從Iijima等人於1991年發現碳納米管以來，由於一維納米結構材料(納米管、納米棒、納米線、納米帶)顯著的各向異性、優良的尺寸效應、能夠組成複雜的納米尺度的結構而備受關注，成為當今材料學科及納米器件研究中的熱點。V2O5納米材料由於具有多種化合價態和層狀結構能嵌入各種有機基團和金屬離子，而具有優良的物理化學性質。近年來，一維V2O5納米材料在鋰電池、傳感器、電致變色、電場效應電晶體等方面有著潛在的應用前景，受到廣泛的關注和快速的發展。1995年，Ajayan等人以碳納米管為模板劑的模板法首次合成了釩氧化物管狀納米材料；隨著納米技術和溶膠-凝膠技術的發展，Spahr等人通過溶膠-凝膠法結合水熱處理成功製備了釩氧化物納米管，Chen等人通過自組裝的方法也成功的製備了釩氧化物納米管，人們對釩氧化物納米材料的研究日益深入，取得了一定的成果，目前一維V2O5納米材料的製備方法主要有模板法、水熱法、CVD、熱蒸發法、靜電紡絲法、電沉積法和有機金屬氣相磊晶法等，但在這些製備方法中，需要特殊的化學藥品，如表面活性劑，催化劑等，而且設備昂貴，另外，使用催化劑對合成材料的納米結構還存在一定的影響，因此人們一直不斷探索更簡單合理的製備方法來控制釩氧化物納米材料的形貌結構和提高釩氧化物納米材料的各種性能。

發明內容
本發明目的是為了解決現有技術中V2O5納米線的製備工藝複雜、成本較高的問題。本發明提出一種簡單優化合成V2O5納米線的方法，不需要表面活性劑和催化劑。以V2O5為原料，H2O2為反應溶劑，採用電磁-超聲波攪拌方式製取V2O5溶膠，然後，通過提拉法在ITO導電玻璃上沉積V2O5薄膜，通過對薄膜進行特殊的熱處理方式，使層狀的V2O5自結晶，形成V2O5納米線。這種方法具有工藝操作簡單、成本低等優點。本發明製備V2O5納米線的方法按以下步驟進行:
(1)將V2O5溶入H2O2溶液中，按照V2O5=H2O2=0.8g 1.2g:40mL 80mL的比例配置，然後將溫度保持在-2 +1° C，採用電磁攪拌和超聲波攪拌結合，製備V2O5溶膠溶液；
(2)採用提拉法製備V2O5薄膜，將基片以10 20cm/min的速度插入V2O5溶膠溶液中，靜置10 25分鐘後，以插入基片時相同的速度提拉出來，待基片上的薄膜乾燥後，重複上述提拉過程4 10次，得到薄膜厚度在0.1 0.4Mffl的V2O5層狀溼膜；
(3 )將V2O5層狀溼膜在室溫下乾燥24 48小時，然後在大氣條件下進行熱處理，使V2O5層狀溼膜自結晶，再從基片上剝離，即得到V2O5納米線。
所述V2O5為分析純，H2O2的濃度為20 40wt%。所述步驟(I)中，採用電磁攪拌在I 5轉/秒的攪拌速率下，向冰水浴中的H2O2溶劑(盛有H2O2溶劑的燒杯)中每20 40秒加入0.05 0.1克的V2O5粉末，溶液即呈淺黃色，隨著V2O5粉末的加入，同時不斷攪拌，溶液顏色逐漸變深直至呈紅褐色溶液時，再攪拌20 60分鐘後得到無沉澱的透明溶液；然後放在超聲波清洗器上，採用20 IOOKHz的超聲波繼續攪拌，超聲波清洗器內保持溫度在-2 +1°C，促進晶粒細化，使溶液混合更加均勻，攪拌20 60分鐘後，經過濾後即得V2O5溶膠溶液(前驅物溶液)，將所製備的V2O5溶膠溶液(前驅物溶液)密封保存在-2 +1° C條件下以備後用。所述步驟(2)中採用的基片為ITO導電玻璃，ITO導電玻璃先在濃度為I 10wt%鹽酸中浸泡I 5分鐘，然後採用蒸餾水衝洗，再經去離子水清洗，最後在無水乙醇溶液中進行超聲波清洗，清洗後的基片使用前均保存在乙醇溶液中。所述步驟(3)中，將製備了薄膜的ITO導電玻璃基片進行熱處理，升溫速率控制在5°(T30°C/min，首先加熱到Tl溫度，保溫20 60min，然後升溫到T2溫度，保溫10 40min,再升溫到T3溫度，保溫30 60min，最後，升溫到T4溫度，保溫30 120min，隨爐冷卻。通過以上熱處理工藝，層狀的V2O5自結晶形成納米線。所述步驟(3)中的加熱溫度分別為:T1為100 400°C ；T2為150 450°C ；T3為200 500° C ；Τ4 為 250 550° C。本發明的優點和積極效果:本發明用於製備V2O5薄膜，無需高溫高壓，在冰點附近進行，使得工藝簡單；本發明提供的方法不需要表面活性劑和催化劑，對環境沒有汙染；用本發明提供的方法製備的V2O5納米線，長度在幾到幾十個微米之間，寬度大約在15(T300nm之間，厚度約lOOnm。


圖1為熱處理工藝過程；
圖2為500°C熱處理後合成的V2O5納米線形貌；
圖3為500°C熱處理後V2O5納米線的XRD衍射 圖4為500°C熱處理後V2O5納米線的拉曼光譜 圖5為550°C熱處理後合成的V2O5納米線形貌；
圖6為550°C熱處理後V2O5納米線的XRD衍射圖。
具體實施例方式以下結合實施例和附圖對本發明作進一步描述，但本發明不限於以下所述範圍。實施例1:本實施例的V2O5納米線的製備方法為:
(I)將分析純V2O5溶入H2O2溶液(濃度為30wt%)中，按照V2O5 =H2O2=L 2g:60mL的比例配置，採用電磁攪拌和 超聲波攪拌結合，製備V2O5溶膠溶液；具體是採用電磁攪拌在I轉/秒的攪拌速率下，向冰水浴中的H2O2溶劑中每20秒加入0.05克的V2O5粉末，持續攪拌得到無沉澱的透明溶液；然後將透明溶液放在超聲波清洗器上，採用20KHz的超聲波繼續攪拌，超聲波清洗器內保持平均溫度在0°C，攪拌20分鐘後，經過濾後即得V2O5溶膠溶液，將所製備的V2O5溶膠溶液密封保存在-2 +1° C條件下以備後用。(2)採用提拉法製備V2O5薄膜，將基片以lOcm/min的速度插入V2O5溶膠溶液中，靜置20分鐘後，以插入基片時相同的速度提拉出來，通過重複上述提拉過程的5次，控制V2O5薄膜的厚度，製得的薄膜厚度在0.1Mm的V2O5溼膜；採用的基片為ITO導電玻璃，ITO導電玻璃先在濃度為10wt%鹽酸中浸泡I分鐘，然後採用蒸餾水衝洗，再經去離子水清洗，最後在無水乙醇溶液中進行超聲波清洗，清洗後的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)將V2O5溼膜在室溫下乾燥24小時，然後在大氣條件下放入箱式電阻爐中進行熱處理，將升溫速率控制在15°C/min，首先加熱到350° C溫度，保溫30min，然後升溫到400° C溫度，保溫30min，再升溫到450° C溫度，保溫30min，最後，升溫到550° C溫度，保溫30min,隨爐冷卻，將V2O5從基片上剝離後得到V2O5納米線。圖2為獲得的V2O5納米線形貌，圖3為其XRD衍射圖，圖4為其拉曼光譜圖。實施例2:本實施例的V2O5納米線的製備方法為:
(I)將分析純V2O5溶入H2O2溶液(濃度為20wt%)中，按照V2O5 =H2O2=0.8g:40mL的比例配置，採用電磁攪拌和超聲波攪拌結合，製備V2O5溶膠溶液；具體是採用電磁攪拌在2轉/秒的攪拌速率下，向冰水浴中的H2O2溶劑中每30秒加入0.08克的V2O5粉末，持續攪拌得到無沉澱的透明溶液；然後將透明溶液放在超聲波清洗器上，採用SOKHz的超聲波繼續攪拌，超聲波清洗器內保持平均溫度在1°C，攪拌40分鐘後，經過濾後即得V2O5溶膠溶液，將所製備的V2O5溶膠溶液密封保存在-2 +1° C條件下以備後用。(2)採用提拉法製備￥205薄膜，將基片以20(^/1^11的速度插入V2O5溶膠溶液中，靜置10分鐘後，以插入基片時相同的速度提拉出來，通過重複上述提拉過程的4次，控制V2O5薄膜的厚度，製得的薄膜厚 度在0.1Mm的V2O5溼膜；採用的基片為ITO導電玻璃，ITO導電玻璃先在濃度為8wt%鹽酸中浸泡3分鐘，然後採用蒸餾水衝洗，再經去離子水清洗，最後在無水乙醇溶液中進行超聲波清洗,清洗後的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)將V2O5溼膜在室溫下乾燥30小時，然後在大氣條件下放入箱式電阻爐中進行熱處理，將升溫速率控制在5° C/min,首先加熱到100° C溫度，保溫20min，然後升溫到150° C溫度，保溫lOmin，再升溫到200° C溫度，保溫40min，最後，升溫到550° C溫度，保溫50min，隨爐冷卻，將V2O5從基片上剝離後得到V2O5納米線。圖5為獲得的V2O5納米線形貌，圖6為其XRD衍射圖。實施例3:本實施例的V2O5納米線的製備方法為:
(I)將分析純V2O5溶入H2O2溶液(濃度為40wt%)中，按照V2O5 =H2O2=0.9g:80mL的比例配置，採用電磁攪拌和超聲波攪拌結合，製備V2O5溶膠溶液；具體是採用電磁攪拌在5轉/秒的攪拌速率下，向冰水浴中的H2O2溶劑中每40秒加入0.1克的V2O5粉末，持續攪拌得到無沉澱的透明溶液；然後將透明溶液放在超聲波清洗器上，採用IOOKHz的超聲波繼續攪拌，超聲波清洗器內保持平均溫度在-2°C，攪拌40分鐘後，經過濾後即得V2O5溶膠溶液，將所製備的V2O5溶膠溶液密封保存在-2 +1° C條件下以備後用。(2)採用提拉法製備V2O5薄膜，將基片以15cm/min的速度插入V2O5溶膠溶液中，靜置25分鐘後，以插入基片時相同的速度提拉出來，通過重複上述提拉過程的10次，控制V2O5薄膜的厚度，製得的薄膜厚度在0.4Mm的V2O5溼膜；採用的基片為ITO導電玻璃，ITO導電玻璃先在濃度為lwt%鹽酸中浸泡5分鐘，然後採用蒸餾水衝洗，再經去離子水清洗，最後在無水乙醇溶液中進行超聲波清洗，清洗後的基片使用前均保存在乙醇溶液中。(3)將V2O5溼膜在室溫下乾燥48小時，然後在大氣條件下放入箱式電阻爐中進行熱處理，將升溫速率控制在30° C/min,首先加熱到400° C溫度，保溫60min，然後升溫到450° C溫度，保溫40min，再升溫到500° C溫度，保溫60min，最後，升溫到250° C溫度，保溫120min,隨爐冷卻，將 V2O5從基片上剝離後得到V2O5納米線。
權利要求
1.一種V2O5納米線的製備方法，其特徵在於具體製備步驟包括如下: (1)將V2O5溶入H2O2溶液中，按照V2O5=H2O2=0.8g 1.2g:40mL 80mL的比例配置，然後將溫度保持在-2 +1° C，採用電磁攪拌和超聲波攪拌結合，製備V2O5溶膠溶液； (2)採用提拉法製備V2O5薄膜，將基片以10 20cm/min的速度插入V2O5溶膠溶液中，靜置10 25分鐘後，以插入基片時相同的速度提拉出來，待基片上的薄膜乾燥後，重複上述提拉過程4 10次，得到薄膜厚度在0.1 0.4Mffl的V2O5層狀溼膜； (3 )將V2O5層狀溼膜在室溫下乾燥24 48小時，然後在大氣條件下進行熱處理，使V2O5層狀溼膜自結晶，再從基片上剝離，即得到V2O5納米線。
2.根據權利要求1所述的V2O5納米線的製備方法，其特徵在於:所述V2O5為分析純，H2O2的濃度為20 40wt%。
3.根據權利要求1所述的V2O5納 米線的製備方法，其特徵在於:所述步驟(I)中，採用電磁攪拌在I 5轉/秒的攪拌速率下，向冰水浴中的H2O2溶劑中每20 40秒加入0.05 0.1克的V2O5粉末，持續攪拌得到無沉澱的透明溶液；然後將透明溶液放在超聲波清洗器上，採用20 IOOKHz的超聲波繼續攪拌，超聲波清洗器內保持溫度在-2 +1° C，攪拌20 60分鐘後，經過濾後即得V2O5溶膠溶液，將所製備的V2O5溶膠溶液密封保存在-2 +1° C條件下以備後用。
4.根據權利要求1所述的V2O5納米線的製備方法，其特徵在於:所述步驟(2)中採用的基片為ITO導電玻璃，ITO導電玻璃先在濃度為I 10wt%鹽酸中浸泡I 5分鐘，然後採用蒸餾水衝洗，再經去離子水清洗，最後在無水乙醇溶液中進行超聲波清洗，清洗後的基片使用前均保存在乙醇溶液中。
5.根據權利要求1所述的V2O5納米線的製備方法，其特徵在於:所述步驟(3)中，將製備了薄膜的ITO導電玻璃基片進行熱處理，將升溫速率控制在5°(T30°C/min，首先加熱到Tl溫度，保溫20 60min，然後升溫到T2溫度，保溫10 40min，再升溫到T3溫度，保溫30 60min，最後，升溫到T4溫度，保溫30 120min，隨爐冷卻。
6.根據權利要求5所述的V2O5納米線的製備方法，其特徵在於:所述步驟(3)中的熱處理的加熱溫度分別為Tl:100 400°C，T2:150 450°C，T3:200 500°C，T4:250 550°Co
全文摘要
本發明涉及了一種V2O5納米線的製備方法，屬於納米材料製備及性能技術領域。以V2O5為原料，H2O2為反應溶劑，在冰水浴中將純V2O5和20～40wt%的H2O2溶液按照V2O5H2O2=0.8g～1.2g:40mL～80mL混合，採用電磁-超聲波混合攪拌方式製取V2O5溶膠，然後，通過提拉法在ITO導電玻璃上沉積V2O5層狀薄膜，通過對薄膜進行特殊的熱處理方式，使層狀的V2O5自結晶，形成V2O5納米線。這種方法不需要表面活性劑和催化劑、無需高溫高壓，具有工藝操作簡單、成本低、形成的納米線結構緻密性好等優點。
文檔編號C01G31/02GK103086431SQ201310025659
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者詹肇麟, 彭雁, 張衛偉, 劉忠, 李莉, 劉建雄 申請人:昆明理工大學