一種鈮酸鈉納米線的合成方法
2023-10-27 19:45:57 2
一種鈮酸鈉納米線的合成方法
【專利摘要】本發明公開了一種鈮酸鈉納米線的合成方法，包括NaOH與有機溶劑混合的步驟、水熱反應的步驟、洗滌和離心分離的步驟以及烘乾的步驟，本發明的方法所用設備簡單，反應條件溫和，無需中間相前驅體的製備以及後期退火處理；反應原料價格低廉，無需昂貴的表面活性劑作為模板；具有工藝流程簡單，節約能源，成本低廉，易於操作和控制，重複性好，便於工業化生產等主要特點，可有效的縮短合成時間，提高生產效率，是一種理想的綠色合成工藝。
【專利說明】一種鈮酸鈉納米線的合成方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種鈮酸鈉納米線的溶劑熱合成方法，尤其涉及一種可重複地一步合成鈮酸鈉納米線的方法，屬於鹼金屬鈮酸鹽納米功能材料領域。
【背景技術】
[0003]鈮酸鈉是一種重要的無機非金屬功能材料，具有典型的鈣鈦礦結構，因表現出良好的非線性光學性、鐵電性、壓電性、光催化性和熱釋電性等性能，在能量回收、智能傳感、能量轉化和光催化等領域具有巨大的應用潛力，引起了科學研究和技術應用領域的極大關注。[W.Zeng, X.M.Tao, S.Chen, S.M.Shang, H.L.ff.Chan, S.H.Choy,Energy Environ.Sc1., 2013, 6, 2631-2638; M.Blomqvist, S.Khartsev, A.Grishin, A.Petraru, C.Buchal, App1.Phys.Lett., 2003, 82, 439.]材料的微觀結構，包括顆粒尺寸、形貌和分布等情況對其性能起著決定性的作用。由於界面效應和尺寸效應，低維納米化的功能材料表現出顯著的性能增強。特別地，一維鈮酸鈉納米粉體(包括納米線、納米纖維、納米棒等)的壓電性能和光催化性能較其他形貌(納米塊、納米球等)具有明顯的優勢。[J.Lv, T.Kako, Z.S.Li, Z.G.Zou, J.H.Ye, J.Phys.Chem.C，2010，114，6157 - 6162;T.Y.Ke, H.A.Chen, H.S.Sheu, J.ff.Yeh, H.N.Lin, C.Y.Lee, H.T.Chiu, J.Phys.Chem.C，2008, 112，8827 - 8831.]迄今為止，一維鈮酸鈉粉體的合成主要有熔鹽法、靜電紡絲法和水熱法。Xu採 用熔鹽法首先製得K2Nb8O21納米線模板，再在熔鹽條件下進行離子交換進而得到鈮酸鈉納米線，工藝比較繁瑣，能源消耗大，且具有一定的危險性；[C.Y.Xu,L.Zhen, R.Yang, Z.L.Wang, J.Am.Chem.Soc., 2007，129，15444 - 15445.]靜電紡絲法可製備出大小均一，尺寸可控的鈮酸鈉納米線，但是需要依賴於昂貴的設備，生產效率極低，不利於工業化；[W.Zeng, X.M.Tao, S.Chen, S.M.Shang, H.L.ff.Chan, S.H.Choy,Energy Environ.Sc1., 2013，6，2631-2638.]目前普遍採用的是水熱法加後期退火處理製備鈮酸鈉納米線，即在水熱條件下通過嚴格控制工藝參數(如溫度、時間、鹼度等)得到一維中間產物Na7 (H3O)Nb6O19 HH2O或者Na2Nb2O6，再經過後期退火處理得到鈮酸鈉納米線。[J.H.Jung, C.Y.Chen, ff.ff.ffu, J.1.Hong, B.K.Yun, Y.S.Zhou, N.Lee, ff.Jo, L.J.Chen, L.J.Chou, Z.L.Wang, J.Phys.Chem.C，2012，116 (42)，22261 - 22265.]水熱法製備鈮酸鈉納米線較於熔鹽法具有明顯的優勢，但是一維中間產物對反應環境十分敏感，反應條件需要精確控制，同時還需要後期的煅燒處理，能源消耗大，工藝較為繁雜。因此，採用簡單的儀器設備，通過簡單的工藝方法，實現鈮酸鈉納米線的一步法合成對於鈮酸鈉在能量轉換和光催化領域的應用具有重大意義。
[0004]
【發明內容】
[0005]技術問題
本發明要解決的技術問題是提供一種實現鈮酸鈉納米線粉體高效快速的一步溶劑熱合成方法，通過該方法製備得到的鈮酸鈉納米線粉體具有優異的光催化性能和壓電性能。
[0006]技術方案
為了解決上述的技術問題，本發明的鈮酸鈉納米線的合成方法包括下列步驟:
步驟一:在乙二醇等有機溶劑中按照0.5^1.0mol/L的濃度比例加入NaOH粉體，加熱並攪拌2(T30min得到NaOH與有機溶劑的混合溶液；待其充分混合後，向上述混合溶液中加入
0.5^1.5g原料Nb2O5，加熱攪拌15~20min，使其均勻混合，形成乳白色的混合溶液；其中，應保證NaOH與Nb2O5的物質的量之比大於I ;
步驟二:將步驟一所得的混合溶液轉移至聚四氟乙烯內襯中，然後將內襯放置於不鏽鋼水熱反應釜中密封，在12(T200°C進行4~16h保溫反應，待反應結束後自然冷卻至室溫得到白色沉澱物；
步驟三:分別採用去離子水和無水乙醇對所得白色沉澱產物進行多次洗滌和離心分離，轉速為100(T3000rpm，時間為5~30min，將殘餘的離子和有機溶劑全部洗盡；
步驟四:在5(T 80°C條件下進行烘乾處理，時間為12~24h，得到鈮酸鈉納米線粉體。
[0007]本發明的技術方案中，NaOH應先加入乙二醇溶劑中進行攪拌處理，儘可能的使其溶解或者混合均勻，這樣可以有效控制NaNbO3納米線的尺寸均勻性。
[0008]有益效果
本發明的方法所用設備簡單，反應條件溫和，無需中間相前驅體的製備以及後期退火處理；反應原料價格低廉，無需昂貴的表面活性劑作為模板；具有工藝流程簡單，節約能源，成本低廉，易於操作和控制，重複性好，便於工業化生產等主要特點，可有效的縮短合成時間，提高生產效率，是一種理想的綠色合成工藝。與現有技術相比，本發明方法具有的有益效果是:
(O以完全有機溶劑乙二醇作為反應介質，實現鈮酸鈉納米線的一步溶劑熱合成，工藝流程簡單，合成效率高，便於工業化生產；
(2)所需NaOH濃度為0.5~2mol/L，反應溫度為12(T200°C，反應條件溫和，能源消耗低，安全性高；
(3)所得鈮酸鈉納米線的可選擇性和可調節性強，NaOH濃度為0.5^2.0mol/L, Nb2O5含量在0.5^1.5g，反應時間在4~16h均能得到鈮酸鈉納米線；
(4)如圖1、圖2、圖3的圖譜及照片所示，所得鈮酸鈉納米線的尺寸更小(l(T20nm)，尺寸分布範圍窄，反應重複性好。
[0009]本發明所合成的鈮酸鈉納米線尺寸小，分布窄，同時兼具一定的選擇性。這種便捷、高效的鈮酸鈉納米線合成方法勢必為鈮酸鈉材料的工業化生產以及其在能量轉化和光催化領域的應用創造新的機遇和動力。
[0010]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1是在140°C經8h溶劑熱反應所得NaNbO3的XRD圖譜；
圖2是在180°C經8h溶劑熱反應所得NaNbO3納米線的場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)照片；
圖3是在200°C經4h溶劑熱反應所得NaNbO3納米線尺寸分布圖，其中插圖為透射電鏡(TEM)照片。
[0012]
【具體實施方式】
[0013]以下結合具體實施例對本發明進行具體說明，但本發明絕非僅限於所述實施例所述的實施方式。凡是採用溶劑熱合成鈮酸鈉一維納米粉體，以及由本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。
[0014]實施例一
在50ml乙二醇溶劑中加入1.6664g NaOH，加熱攪拌2(T30min ;待其充分混合後，繼續加入1.5g原料Nb2O5,加熱攪拌15~20min,使其均勻混合,形成乳白色的混合溶液。將所得混合溶液轉移至聚四氟乙烯內襯中，然後將內襯放置於不鏽鋼水熱反應釜中密封，在140°C進行8h保溫反應，待反應結束後自然冷卻至室溫。採用去離子水和無水乙醇對所得白色沉澱產物進行多次洗滌和離心分離，轉速為3000rpm，時間為lOmin，保證殘餘的離子和有機溶劑全部洗盡；在60°C條件下進行24h烘乾處理，得到鈮酸鈉(NaNbO3)納米線粉體。
[0015]實施例二
在50ml乙二醇溶劑中 加入1.6664g NaOH，加熱攪拌2(T30min ;待其充分混合後，繼續加入1.0g原料Nb2O5,加熱攪拌15~20min,使其均勻混合,形成乳白色的混合溶液。將所得混合溶液轉移至聚四氟乙烯內襯中，然後將內襯放置於不鏽鋼水熱反應釜中密封，在180°C進行8h保溫反應，待反應結束後自然冷卻至室溫。採用去離子水和無水乙醇對所得白色沉澱產物進行多次洗滌和離心分離，轉速為3000rpm，時間為lOmin，保證殘餘的離子和有機溶劑全部洗盡；在50~801:條件下進行12~24h烘乾處理，得到鈮酸鈉(NaNbO3)納米線粉體。
[0016]實施例三
在50ml乙二醇溶劑中加入3.3328g NaOH，加熱攪拌2(T30min ;待其充分混合後，繼續加入0.5g原料Nb2O5,加熱攪拌15~20min,使其均勻混合,形成乳白色的混合溶液。將所得混合溶液轉移至聚四氟乙烯內襯中，然後將內襯放置於不鏽鋼水熱反應釜中密封，在200°C進行4h保溫反應，待反應結束後自然冷卻至室溫。採用去離子水和無水乙醇對所得白色沉澱產物進行多次洗滌和離心分離，轉速為3000rpm，時間為lOmin，保證殘餘的離子和有機溶劑全部洗盡；在5(T80°C條件下進行12~24h烘乾處理，得到鈮酸鈉(NaNb03)納米線粉體。
【權利要求】
1.一種鈮酸鈉納米線的合成方法，其特徵在於，包括下列步驟: 步驟一:在有機溶劑中按照0.5^1.0mol/L的濃度比例加入NaOH粉體，加熱並攪拌2(T30min得到NaOH與有機溶劑的混合溶液；待其充分混合後，向上述混合溶液中加入0.5~1.5g原料Nb2O5,加熱攪拌15~20min,使其均勻混合,形成乳白色的混合溶液； 步驟二:將步驟一所得的混合溶液轉移至聚四氟乙烯內襯中，然後將內襯放置於不鏽鋼水熱反應釜中密封，在12(T200°C進行4~16h保溫反應，待反應結束後自然冷卻至室溫得到白色沉澱物； 步驟三:分別採用去離子水和無水乙醇對所得白色沉澱產物進行多次洗滌和離心分離，轉速為100(T3000rpm，時間為5~30min，將殘餘的離子和有機溶劑全部洗盡； 步驟四:在5(T80°C條件下進行烘乾處理，時間為12~24h，得到鈮酸鈉納米線粉體。
2.如權利要求1中所述的一種鈮酸鈉納米線的合成方法，其特徵在於:所選用反應溶劑為乙二醇等有機溶劑。
3.如權利要求1中所述的一種鈮酸鈉納米線的合成方法，其特徵在於:保證NaOH與Nb2O5的物質的量之比大於1，反應溫度為12(T200°C，反應時間為4~16h。
【文檔編號】B82Y40/00GK104016408SQ201410255579
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】朱孔軍, 古其林, 劉勁松, 王婧, 裘進浩, 劉鵬程 申請人:南京航空航天大學