一種楊梅狀V₂O₅納米材料及其製備方法

2023-07-10 00:58:21 1

專利名稱：一種楊梅狀V2O5納米材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體材料、光電子材料與器件技術領域，具體地涉及一種楊梅狀V2O5 納米材料及其製備方法。
背景技術：
V2O5是黃色晶體，熔點為670°C，沸點為1690°C，具有斜方晶繫結構，晶格常數a = 1. 1519nm, b = 0. 3564nm, c = 0. 4373nm。每個釩原子被周圍6個氧原子包圍，形成八面體結構。V2O5晶體具有層狀結構，顯示出有趣的電子、離子、電化學性，在這種結構中，釩所處的環境是一個畸變四方稜錐體，釩原子與五個氧原子形成五個釩一氧鍵。使VO4四面體單元通過氧橋結合為鏈狀。兩條這樣的鏈彼此以第五個氧原子通過另一氧橋連接成一條復鏈，從而構成起皺的層狀排列。若從另一層中引入第六個氧原子、距離為^Opm,使各層連接起來， 這樣最終便構成了一個V2O5晶體。V2O5的均勻範圍很窄，為VO2.45-V02.5(1。V2O5在685°C時熔融，在熔融的V2O5表面上的氣相由V4Oltl, V6O14, V6O12和V4O8等組成。V2O5晶體的轉換溫度在 257°C。當V2O5晶體處於半導體相時，禁帶寬度為2. M ev，且具有負的電阻溫度係數。此夕卜，V2O5光電導性質，這些性質使得V2O5可作普通離子吸收基質材料、溼敏傳感器、微電池、 電致變色顯示材料，智能窗、濾色片、熱輻射檢測材料或光學記憶材料等。近來，人們利用各種方法(溶液法、分子束外延、濺射法、脈衝雷射沉積、金屬有機物化學氣相沉積等)製備出了各種不同的V2O5納米結構，例如納米線、納米帶、納米棒等，並對這些納米結構的光電特性進行了研究，但是能應用於大規模生產的方法很少，且反應條件苛刻，生產成本高昂。本發明克服現有技術製備方法中所存在的反應條件苛刻、生產成本高昂等缺陷， 提供了一種一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料及其製備方法，本發明製備方法操作簡便，成本低，可重複性高，可用於大規模的工業生產。本發明所製備出的V2O5納米材料雜質少，其本身具有層狀結構及相變性能，其構成納米楊梅狀的V2O5的納米線具有很大的縱橫比，有大量可作為發射點的納米尖端，有很好的場發射特性，在納米光電子領域有廣闊的應用前景。

發明內容
本發明提出了一種楊梅狀V2O5納米材料，包括自中心衍生生長出的一維V2O5納米線，所述楊梅狀V2O5納米材料為斜方晶繫結構，晶格常數為a = 11.516 A, b = 3.566 A, c = 4. 373A。其中，所述，所述一維V2O5納米線長度範圍為10 20微米，直徑為30 50納米。本發明還提出了一種所述的楊梅狀V2O5納米材料的製備方法，包括以下步驟
a、將偏釩酸銨溶於去離子水後，加入H2O2，調節pH值至2，加入聚乙烯吡咯烷酮；
b、在密封高壓環境中，於180°C溫度下反應M小時，經過濾、清洗得到黃色粉末狀材料；
c、將所述黃色粉末狀材料於60°C-80°C溫度下烘乾，得到所述的楊梅狀V2O5納米材料。其中，所述步驟a中，所述偏釩酸銨與H2A的摩爾質量比V = H2A為1:10。其中，所述步驟a中，所述H2A的質量濃度為30%，所述聚乙烯吡咯烷酮的濃度範圍為 0. 05-0. lmol/L。其中，所述步驟a中，通過滴加硝酸調節PH值。其中，所述步驟b中，使用無水乙醇和去離子水進行清洗。本發明的目的之一在於提供一種由一維納米線呈發射狀地組成的楊梅狀V2O5納米材料，楊梅狀V2O5納米材料是由一維納米線相互間結合生長而構成，其一維納米線的長度範圍為10 20微米，直徑為30 50納米。楊梅狀V2O5的結構為斜方晶繫結構，其晶格常數為 a = 11.516 A, b = 3.566 A, c = 4· 373A。現有技術中合成的V2O5納米結構多為納米線、納米帶、納米棒，之類，目前尚未有報導由一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料。本發明首次提供一種形貌新穎的、由一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料，且生成的V2O5晶體具有特殊的納米結構，具有很好的場發射特性。本發明的另一目的是提供一種由無數一維納米線連接在一起形成的楊梅狀V2O5 納米材料的製備方法，將偏釩酸銨溶於去離子水中，再加入30% H2O2，適當地加入聚乙烯吡咯烷酮做為表面活化劑，攪拌形成均勻的混合溶液，置於密封的高壓釜中反應得到黃色粉末，再將黃色粉末經過在鼓風乾燥箱中60°C溫度下保持12小時烘乾，製得由一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料。其中，反應是在密封的高壓釜中進行。本發明首次提出由一維納米線組成的楊梅狀的V2O5納米材料製備方法，以偏釩酸銨溶液和30% H2O2為反應溶液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活化劑。本發明的反應過程中不需要催化劑，節省資源；設備要求簡單，普通實驗室設備都能達到；反應過程非常簡單，不需要複雜的操作；本發明製備的V2O5納米材料雜質少，製備方法成本低，重複性好，適用於大批量製備。本發明的製備方法解決了現有V2O5納米材料製備方法條件苛刻，成本高的問題， 從而提供一種低成本，高重複性，適用於大規模工業生產的新方法。本發明製備的V2O5納米材料因為其本身具有層狀結構，還具有相變性能，可以被用來製備智能溫控型器件，智能溫控玻璃塗層及鋰離子電極材料。由於生成的V2O5晶體具有特殊的納米結構，組成納米楊梅狀的V2O5的納米線具有很大的縱橫比，有大量可作為發射點的納米尖端，可作為良好的場發射陰極材料，有很好的場發射特性，在納米光電子領域有廣闊的應用前景。可結合目前成熟的半導體矽集成電路工藝，適合於集成納米光電子器件的發展。


圖1是本發明楊梅狀V2O5納米材料的X射線衍射圖。圖2是本發明楊梅狀V2O5納米材料的SEM圖。圖3是本發明楊梅狀V2O5納米材料的中倍SEM圖。圖4是本發明楊梅狀V2O5納米材料的高倍TEM圖。圖5是本發明楊梅狀V2O5納米材料的場發射性能測試的電流-電壓(J-E)曲線
4圖，插圖為其對應的F-N曲線。
具體實施例方式結合以下具體實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的保護內容不局限於以下實施例。在不背離發明構思的精神和範圍下，本領域技術人員能夠想到的變化和優點都被包括在本發明中，並且以所附的權利要求書為保護範圍。本發明製備方法包括以下具體步驟
a、將偏釩酸銨溶於80ml去離子水中，加入30% H2O2，再滴加硝酸使其混合溶液的pH值到2，攪拌至完全溶解；加入表面活化劑聚乙烯吡咯烷酮，再次攪拌至完全溶解。其中，偏釩酸銨與H2O2的摩爾質量比V = H2O2為1:10。b、將步驟a製備的溶液倒入高壓反應釜中，將高壓釜密封好後放入鼓風乾燥箱， 在180°C溫度下保持反應M小時，自然降溫後，過濾、清洗得到黃色粉末狀材料；
c、將步驟b得到黃色粉末狀材料在鼓風乾燥箱中60°C _80°C溫度下保持12小時烘乾， 製得的由很多一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料。實施例1
本實施例製備一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料，具體步驟如下 a、將偏釩酸銨0. 65g溶於80ml去離子水中，再加入30% H2O2IOmL,使偏釩酸銨與H2R 的摩爾質量比V = H2A為1 10，攪拌至完全溶解，滴加硝酸使其混合溶液的pH值到2，適量的加入表面活化劑聚乙烯吡咯烷酮，使其濃度為0. 05mol/L，攪拌至完全溶解，配製得到反應溶液。b、將上述的反應溶液倒入高壓釜，將高壓釜密封好後放入鼓風乾燥箱，在180°C溫度下保持反應M小時，自然降溫後，過濾、用酒精和去離子水清洗得到黃色粉末狀材料。C、將上述清洗得到黃色粉末狀材料，在鼓風乾燥箱中60°C溫度下保持12小時烘乾，即製得所述的由很多一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料。反應是在密封的高壓釜中進行的。本實施例製備得到的一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料，由自中心衍生生長出的一維V2O5納米線構成類似球狀結構，其X射線衍射圖如圖1所示。經掃描電子顯微鏡檢測，其SEM圖如圖2所示，中倍SEM圖如圖3所示，高倍TEM圖如圖4所示。經SEM檢測， 如圖2所示，所得的一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料，其中單根的一維納米線的長寬尺度範圍為10 20微米，直徑為30 50納米。經晶體結構測定，其結構為斜方晶繫結構，其晶格常數為 a = 11.516 A, b = 3.566 A, c = 4. 373A。由於組成納米楊梅狀的V2O5的納米線具有很大的縱橫比，具有大量可作為發射點的納米尖端，有很好的場發射特性。場發射性能的研究實驗結果表明，如圖5所示楊梅狀 V2O5納米材料的電流-電壓(J-E)曲線和其對應的F-N曲線，從中可以看出楊梅狀V2O5納米材料具有很低的開啟電壓和閾值電壓；很高的場發射因子，分別為2. 9 V/Mffl, 5.7 V/Mffl 和2468，說明本發明製備出的楊梅狀V2O5納米材料有很好的場發射特性，在作為場發射電極材料上有很好的應用前景。實施例2:
本實施例一維納米線組成的楊梅狀V2O5納米材料的製備方法與實施例1基本相同。本實施例中，pH調節至2，於180°C溫度下反應對小時，於80°C下烘乾。聚乙烯吡咯烷酮加入的終濃度為0. 1 mol/L，偏釩酸銨的用量為0. 83g，偏釩酸銨與H2A的摩爾質量比為 1:10。 本實施例製備得到的楊梅狀V2O5納米材料與實施例1結果類似，由自中心衍生生長出的一維V2O5納米線構成類似球狀結構。其中單根的一維納米線的長寬尺度範圍為 10 20微米，直徑為30 50納米。
權利要求
1.一種楊梅狀V2O5納米材料，其特徵在於，所述楊梅狀V2O5納米材料包括自中心衍生生長出的一維V2O5納米線，所述楊梅狀V2O5納米材料為斜方晶繫結構，晶格常數為a = 11.516 A, b = 3.566 A, c = 4. 373AD
2.如權利要求1所述的楊梅狀V2O5納米材料，其特徵在於，所述一維V2O5納米線長度範圍為10 20微米，直徑為30 50納米。
3.—種如權利要求1所述的楊梅狀V2O5納米材料的製備方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟a、將偏釩酸銨溶於去離子水後，加入H2O2，調節pH值至2，加入聚乙烯吡咯烷酮；b、在密封高壓環境中，於180°C溫度下反應M小時，經過濾、清洗得到黃色粉末狀材料；c、將所述黃色粉末狀材料於60°C-80°C下烘乾，得到所述的楊梅狀V2O5納米材料。
4.如權利要求3所述的楊梅狀V2O5納米材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟a中， 所述偏釩酸銨與H2A的摩爾質量比V:H2A為1 10。
5.如權利要求3所述的楊梅狀V2O5納米材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟a中， 所述H2A的質量濃度為30%，所述聚乙烯吡咯烷酮的濃度範圍為0. 05-0. lmol/L。
6.如權利要求3所述的楊梅狀V2O5納米材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟a中， 通過滴加硝酸調節PH值。
7.如權利要求3所述的楊梅狀V2O5納米材料的製備方法，其特徵在於，所述步驟b中， 使用無水乙醇和去離子水進行清洗。
全文摘要
本發明公開了一種楊梅狀V2O5納米結構，包括自中心衍生生長出的一維V2O5納米線，所述楊梅狀V2O5納米材料為斜方晶繫結構，晶格常數為a=11.516 ,b=3.566 ,c=4.373 。本發明還公開了一種楊梅狀V2O5納米結構的製備方法，以偏釩酸銨溶液和H2O2為反應溶液，聚乙烯吡咯烷酮為表面活化劑，於密封的高壓釜中反應得到。本發明製備方法操作簡便，成本低，高重複性，可適用於大規模的工業生產；所製備的V2O5納米材料雜質少，在納米光電子領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號B82Y40/00GK102502825SQ201110360468
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者尹海宏, 曾敏, 鬱可 申請人:華東師範大學