F粉体的水热制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及氟氧化物纳米材料的制备，特别是涉及一种纳米NbO2F粉体的制备方法。
【背景技术】
[0002]NbO2F(—氟二氧化铌)是氟氧化物系列的一种，正如文献Journal of PowerSources, 2006,162:1312-1321, Journal of Solid State Chemistry，2002，166:73-80 和Journal of Physical Chemistry B，2005，109:13420-13423 等报道的一样，NbO2F 是一种半导体材料，在电池材料和光催化等领域具有广泛的应用前景。
[0003]目前，制备NbO2F的方法较单一，通常以金属铌(Nb)粉和氢氟酸(HF)为主要原料，采用溶解-蒸发法来制备。如文献(Journal of Solid State Chemistry, 2002,166:73-80)报道将铌粉溶解在48%的氢氟酸中，蒸发溶液至干，然后200°C下干燥24小时得到产品。目前制备NbO2F的溶解-蒸发法存在耗时长、易污染环境、成本高和无法得到纳米级产品等不足，产业化应用前景堪忧。
[0004]水热法通常是指在密闭反应器(如反应釜)中，采用水作为反应体系，通过对反应体系加热，创造一个相对高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解并且反应或重结晶，从而合成产品的一种方法。水热法制备的纳米产品通常具有粉末细、纯度高、分散性好、分布窄、晶型好，工艺简单，易于工业化和节能高效等优点。水热法在纳米材料合成领域具有广泛的应用。目前，采用水热法来制备纳米NbO2F粉体还未见报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种直接合成纳米NbO2F粉体的水热制备方法。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，具体步骤为:
[0007](I)反应前驱体的配制
[0008]在室温条件下，称取X摩尔Nb2O5粉末，将粉末转入具有聚四氟乙烯内衬的反应釜中；在通风橱中，向反应釜中加入Y摩尔HF，然后再加入浓度为2.0g/L的聚乙烯醇(PVA-124)溶液Z毫升，用玻璃棒搅拌均匀，得到反应前驱体。
[0009](2)水热条件下纳米粉体的制备
[0010]将反应釜密封后置于180°C?190°C的烘箱中恒温反应12?24小时后，让反应釜在烘箱中自然冷却至室温；将反应釜中的产物倒入塑料烧杯中，过滤和洗涤，最后将产品在60°C至80 °C烘箱中烘干得到纳米NbO2F粉体产品。
[0011]本发明将X限定在0.005摩尔至0.015摩尔范围，将Y限定在0.125摩尔至0.75摩尔范围，控制使Y: X等于25: I至50: I范围；将Z限定在3毫升至9毫升范围，控制使Z: X等于600: I。反应中使用的HF是HF的溶液，即是质量百分浓度为20%的氢氟酸溶液；Y的摩尔量是通过氢氟酸溶液中HF的质量百分含量计算得到，如Y为0.125摩尔时是指使用了质量百分浓度为20%的氢氟酸溶液12.5克。
[0012]与现有技术相比，本发明的积极效果是:
[0013](I)本发明采用相对便宜的Nb2O5粉代替了贵的金属Nb粉，以及使用相对便宜的20 %的HF溶液(文献常用48 %的HF溶液或48 %的HF溶液与順03溶液配成的溶液)，节约了成本。
[0014](2)反应过程在密闭反应釜中进行，实验过程中没有HF(HF属于有毒物质)的直接排放，使得工艺更加安全和环保。
[0015](3)在反应体系中加入了聚乙烯醇(PVA-124)溶液，聚乙烯醇的分散作用为纳米NbO2F的形成创造了条件。
[0016](4)制备得到了纳米NbO2F，为NbO2F在更广范围的应用奠定了基础。
[0017]总之，与现有技术相比，本发明采用水热法制备的积极效果是:实现了成本低、节能环保、易于工业化生产纳米级产品NbO2F粉体的目的。
【附图说明】
[0018]图1:实施例1所得NbO2F产品的X射线衍射图谱；
[0019]图2:实施例1所得NbO2F产品的描电镜照片；
[0020]图3:实施例1所得NbO2F产品的紫外-可见漫反射吸收谱；
[0021]图4:实施例1所得NbO2F产品与用于参比的商品二氧化钛P25光催化降解甲基橙的脱色率随时间的变化曲线。
【具体实施方式】
[0022]以下结合附图对本发明作进一步详细说明。本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
[0023]实施例1
[0024]在室温条件下，称取0.005摩尔Nb2O5粉末，将粉末转入容积为10ml的具有聚四氟乙烯内衬的反应釜中；在通风橱中，向反应釜中加入0.25摩尔HF(即25克质量百分浓度为20%的氢氟酸溶液)，然后再加入浓度为2.0g/L的聚乙烯醇(PVA-124)溶液3ml，用玻璃棒搅拌均匀后将反应釜密封。将反应釜置于180°C的烘箱中恒温反应24小时后，让反应釜在烘箱中自然冷却至室温，将反应釜中的产物倒入塑料烧杯中，过滤和洗涤3次，最后将产品放到80°C烘箱中烘干得到Nb2O5粉体产品。对得到的产品分别进行X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)和紫外-可见漫反射吸收谱(DRS)测试，结果如图1、图2和图3所不O
[0025]图1是采用XD-6型X射线衍射分析仪，粉末法分析测试产品的XRD图。从图1可知，所得产品的XRD图谱与标准的NbO2F(JCPDS:47-1231)吻合，说明合成的产品是Nb02F。
[0026]图2是采用日立S-4800型场发射扫描电子显微镜测试产品的SEM照片。从图2可知，NbO2F产品以平均粒径50?80nm的颗粒存在为主。
[0027]图3是采用带积分球的Hitachi UV4100型紫外-可见光谱仪，以标准的BaSO^参比，将NbO2F粉末压片，然后进行测试得到紫外-可见漫反射谱，并通过Kubelka-Munk方程转换为漫反射吸收谱。从图3可知，NbO2F的吸收边波长λ为370nm。利用公式E(eV)=1240/ λ计算得到NbO2F的带隙宽度为3.35eV。
[0028]为了表征NbO2F纳米粉体的光催化活性，光催化实验在自制的光催化反应装置中进行:光源为150W高压汞灯；将20mg纳米NbO2F粉体加入到1ml 20mg/L的模拟污水甲基橙(MO)溶液中，避光吸附平衡1min后进行光催化降解实验；降解所需时间后取出离心分离去除粉末，以MO溶液最大吸收峰464nm处吸光度的标准曲线计算其脱色率，用学术界常用的商品二氧化钛P25作对比光催化实验，实验结果如图4所示。从图4可知，NbO2F对MO溶液降解脱色率30min前迅速增加，50min时已经达到95.3%,60min时已经接近100%完全降解，NbO2F产品表现出了优良的光催化活性。而参比P25对MO溶液的降解脱色率虽然在增加，但60min时才达到69%，这表明NbO2F产品的光催化活性优于P25。
[0029]实施例2
[0030]在室温条件下，称取0.015摩尔Nb2O5粉末，将粉末转入容积为10ml的具有聚四氟乙烯内衬的反应釜中；在通风橱中，向反应釜中加入0.375摩尔的HF(即37.5克质量百分浓度为20%的氢氟酸溶液)，然后再加入浓度为2.0g/L的聚乙稀醇(PVA-124)溶液9ml，用玻璃棒搅拌均匀后将反应釜密封。将反应釜置于190°C的烘箱中恒温反应18小时后，让反应釜在烘箱中自然冷却至室温，将反应釜中的产物倒入塑料烧杯中，过滤和洗涤3次，最后将产品放到60°C烘箱中烘干得到纳米NbO2F粉体产品。按照实施例1相同的光催化实验方法，光催化降解20mg/L的MO溶液50min时，MO脱色率达到95.6%，60min时达到了 100%完全降解，NbO2F产品表现出了优良的光催化活性。
[0031]实施例3
[0032]在室温条件下，称取0.10摩尔Nb2O5粉末，将粉末转入容积为10ml的具有聚四氟乙烯内衬的反应釜中；在通风橱中，向反应釜中加入4.0摩尔(即40克质量百分浓度为20%的氢氟酸溶液)，然后再加入浓度为2.0g/L的聚乙烯醇(PVA-124)溶液6ml，用玻璃棒搅拌均匀后将反应釜密封。将反应釜置于190°C的烘箱中恒温反应12小时后，让反应釜在烘箱中自然冷却至室温，将反应釜中的产物倒入塑料烧杯中，过滤和洗涤3次，最后将产品放到70°C烘箱中烘干得到纳米NbO2F粉体产品。按照实施例1相同的光催化实验方法，光催化降解20mg/L的MO溶液50min时，MO脱色率达到95.1 %，60min时达到了 100%完全降解，NbO2F产品表现出了优良的光催化活性。
【主权项】
1.纳米NbO2F粉体的水热制备方法，其特征在于包括以下步骤:(I)在室温条件下，称取X摩尔Nb2O5粉末，将粉末转入具有聚四氟乙稀内衬的反应藎中；在通风橱中，向反应Il中加入Y摩尔HF，然后再加入浓度为2.0g/L的聚乙烯醇(PVA-124)溶液Z毫升，用玻璃棒搅拌均匀，得到反应前驱体；⑵将反应釜密封后置于180°C?190°C的烘箱中恒温反应12?24小时后，让反应釜在烘箱中自然冷却至室温，将反应釜中的产物倒入塑料烧杯中，过滤和洗涤，最后将产品在60°C至80°C烘箱中烘干得到纳米NbO2F粉体产品。
2.权利要求1中的纳米NbO2F粉体的水热制备方法，其特征在于将X限定在0.005摩尔至0.015摩尔范围，Y限定在0.125摩尔至0.75摩尔范围，控制使Y: X等于25: I至50: I范围；Z限定在3毫升至9毫升范围，控制使Z: X等于600: I。
【专利摘要】纳米NbO2F粉体的水热制备方法，它涉及一种氟氧化铌纳米材料的制备方法。本发明利用水热技术，以Nb2O5粉末、质量百分浓度为20％的氢氟酸和聚乙烯醇为主要原料制备了颗粒平均粒径50～80nm和带隙3.35eV，并且具有优良光催化活性的纳米NbO2F粉体。其步骤分为反应前驱体的配制和水热条件下纳米粉体的制备两步。本发明提供了一种工艺成本低、节能环保、易于工业化生产的制备纳米NbO2F粉体的方法。
【IPC分类】B82Y30-00, C01G33-00
【公开号】CN104528827
【申请号】CN201410856776
【发明人】唐培松, 陈海锋, 曹枫, 潘国祥, 张玉建
【申请人】湖州师范学院
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月31日