具有微纳分级结构的海胆状五氧化二铌微球及其制备方法与流程

本发明属于无机纳米材料合成领域，具体地说，涉及一种具有微纳分级结构的海胆状五氧化二铌微球及其制备方法。

背景技术：

五氧化二铌(Nb₂O₅)是一种n型半导体材料，禁带宽度为3.4eV，被广泛应用于光催化、光敏化染料电池、电容器和锂离子电池等领域。当前，大量研究成果证实材料的性能与其尺寸和形貌等有密切的关系。例如，Sasidharan等人(M.Sasidharan,et al.Nb₂O₅hollow nanospheres as anode material for enhanced performance in lithium ion batteries.Materrial Research Bulletin 47(2012)2161-2164.)合成出空心纳米球形Nb₂O₅，作为锂离子电池负极表现出较好的电化学性能。近年来，由纳米单元组装的整体在微米级的微纳分级结构材料因其不仅具有纳米单元的优点而且一些特有的物理化学特性(比如协同效应和耦合效应等)，引起了研究者的重点关注。Lu等人(H.Lu,K.Xiang,et al.Urchin-shaped Nb₂O₅microspheres synthesized by the facile hydrothermal method and their lithium ion storage performance.Materials Letters,167(2006)106-108)合成出海胆状Nb₂O₅微球，用作锂离子电池负极材料表现出较好的电化学性能。专利一种五氧化二铌海胆状纳米微球的制备方法及其作为光催化剂的应用(申请号：201510900901.0，申请日：2015-12-09，公开号：CN105384193A，公开日：2016-03-09)报道了一种Nb₂O₅海胆状纳米微球，用作光催化剂表现出优良的性能。

形貌结构对五氧化二铌的性能具有很大影响，目前还鲜有关于具有微纳分级结构的海胆状五氧化二铌微球的文献报道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种具有微纳分级结构的海胆状五氧化二铌微球及其制备方法，采用该方法制备的海胆状Nb₂O₅形貌规则、分散性好，可广泛应用于光催化、光敏化染料电池、锂离子电池和电容器等领域。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种具有微纳分级结构的海胆状五氧化二铌微球的制备方法，暂时不写。

进一步地，包括以下步骤：

步骤1)、在搅拌条件下将草酸铌和氟化氢铵按一定比例加入到去离子水中，搅拌0.1-24小时；

步骤2)、将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中加热反应；

步骤3)、将步骤2)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤3-9次，然后置于真空干燥箱中干燥；

步骤4)、将步骤3)所得粉体置于管式炉中焙烧，即得具有微纳分级结构的海胆状Nb₂O₅微球。

进一步地，步骤1)制备得到的溶液中铌的浓度为0.022-0.028mol/L。

进一步地，步骤1)中草酸铌与氟化氢铵的摩尔比为1:0.1-1:0.6。

进一步地，步骤2)中加热温度为178-185℃，加热时间为20-30小时。

进一步地，步骤3)中的真空干燥温度为60-120℃。

进一步地，步骤4)中的焙烧温度为600-1000℃，焙烧时间为0.5-1.5小时。

本发明还公开了一种由上述的制备方法制备得到的具有微纳分级结构的海胆状五氧化二铌微球。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1)本发明合成的海胆状Nb₂O₅微球是由纳米细丝组装形成的，纳米细丝的直径约为5-20纳米，微球的直径约为1微米，且具有较好的分散性。

2)本发明合成的海胆状Nb₂O₅微球比表面积大，不仅具有纳米结构的优点，而且具有一些特有的物理化学特性(比如协同效应等)。

3)本发明合成的海胆状Nb₂O₅微球在光催化、光敏化染料电池、电容器和锂离子电池等领域具有潜在的应用价值。

4)本发明具有工艺简单，反应可控性强，易于大规模工业化生产。

当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例1制备海胆状Nb₂O₅微球的X-射线衍射图；

图2是本发明实施例1制备海胆状Nb₂O₅微球的扫描电镜(SEM)照片；

图3是本发明实施例1制备海胆状Nb₂O₅微球的透射电镜(TEM)照片；

图4是本发明对比例1制备得到的产品的扫描电镜(SEM)照片；

图5是本发明对比例2制备得到的产品的扫描电镜(SEM)照片。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

步骤1)在搅拌条件下将草酸铌和氟化氢铵按摩尔比为1:0.5加入到去离子水中，搅拌24小时，其中溶液中铌的浓度为0.026mol/L；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃下加热反应24小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤3-9次，然后置于温度为80℃的真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，即得具有微纳分级结构的海胆状Nb₂O₅微球。

如图1所示，样品的衍射峰与PDF卡片中Nb₂O₅的标准衍射峰吻合，没有发现其它杂质峰，说明合成的样品较纯。如图2所示，样品具有规则的海胆状微球形貌，且具有较好的分散性。如图3所示，海胆状Nb₂O₅是由大量纳米带构筑而成。

实施例2

步骤1)在搅拌条件下将草酸铌和氟化氢铵按摩尔比为1:0.1加入到去离子水中，搅拌14小时，其中溶液中铌的浓度为0.022mol/L；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在178℃下加热反应30小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤3-9次，然后置于温度为110℃的真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1.5小时，即得具有微纳分级结构的海胆状Nb₂O₅微球。

实施例3

步骤1)在搅拌条件下将草酸铌和氟化氢铵按摩尔比为1:0.6加入到去离子水中，搅拌10小时，其中溶液中铌的浓度为0.028mol/L；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃下加热反应20小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤3-9次，然后置于温度为100℃的真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在1000℃下焙烧0.5小时，即得具有微纳分级结构的海胆状Nb₂O₅微球。

实施例4

步骤1)在搅拌条件下将草酸铌和氟化氢铵按摩尔比为1:0.4加入到去离子水中，搅拌3小时，其中溶液中铌的浓度为0.024mol/L；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在185℃下加热反应24小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤3-9次，然后置于温度为60℃的真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在800℃下焙烧1.2小时，即得具有微纳分级结构的海胆状Nb₂O₅微球。

实施例5

步骤1)在搅拌条件下将草酸铌和氟化氢铵按摩尔比为1:0.3加入到去离子水中，搅拌0.1小时，其中溶液中铌的浓度为0.027mol/L；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在182℃下加热反应28小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤3-9次，然后置于温度为120℃的真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在900℃下焙烧1小时，即得具有微纳分级结构的海胆状Nb₂O₅微球。

对比例1

步骤1)在搅拌条件下将五氯化铌和氟化氢铵按摩尔比为1:0.5加入到去离子水中，搅拌24小时，其中溶液中铌的浓度为0.026mol/L；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃下加热反应24小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤3-9次，然后置于真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，得不到具有微纳分级结构的海胆状Nb₂O₅微球。如图4所示，样品呈现出无规则形貌。

对比例2

步骤1)在搅拌条件下将草酸铌铵和氟化氢铵按摩尔比为1:0.5加入到去离子水中，搅拌24小时，其中溶液中铌的浓度为0.026mol/L；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃下加热反应24小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤3-9次，然后置于真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，得不到具有微纳分级结构的海胆状Nb₂O₅微球。如图5所示，样品呈现出不均匀的块状形貌。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。