暴露高能晶面纳米片自组装的三维网络结构α?Fe₂O₃的制备方法

暴露高能晶面纳米片自组装的三维网络结构α?Fe₂O₃的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种暴露晶面纳米片自组装的三维网络结构α?Fe2O3的制备方法，该方法以聚乙烯吡咯烷酮为吸附剂和燃料，采用简单的溶液快速热反应法，一步反应即可得到暴露晶面的由纳米片自组装而成的三维网络结构的α?Fe2O3。本发明方法简单易行，成本低廉，生产周期短，产率高，重复性和一致性好，所制备的α?Fe2O3结晶性好，且是由暴露清洁的没有吸附剂的高活性晶面纳米片自组装而成的三维网络结构，纳米片的厚度约为30nm，在气敏传感器、吸附、光催化和锂离子电池等领域具有较好的应用前景和经济效益。
【专利说明】
暴露高能晶面纳米片自组装的三维网络结构a-Fe203的制备 方法
技术领域
[0001] 本发明属三维网络结构半导体光电子材料技术领域，具体涉及一种溶液快速热反 应法一步得到暴露彳丨14丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a-Fe2〇3的制备方法。
【背景技术】
[0002] 众所周知，材料的物理化学性能强烈地依赖于其尺寸和形貌。最近，人们发现半导 体纳米材料的光催化和化学传感性能与其暴露的晶面密切相关。因此，具有活性面半导体 纳米材料的制备具有非常重要的科学意义和巨大的应用价值[Account. Chem. Research. 20 14,47:308-318]。由于高反应活性面通常是高能晶面，其生长速度一般较快，不易暴露出 来，纳米材料通常所暴露的晶面是那些表面能较低、生长速度较慢的晶面。暴露高活性晶面 半导体纳米材料的制备是极具挑战性的问题。
[0003] a-Fe203属于六方晶系的刚玉型结构，是一种重要的η型半导体材料，其禁带宽度约 为2.2eV。由于其独特的磁学、光学和电学性质，a-Fe 203广泛应用于磁学、气敏传感、光催化、 吸附及锂离子电池等领域。近年来，人们采用水热和溶剂热法制备出了暴露{104}晶面的菱 形六面体a-Fe2〇 3[RSC Adv. ,2012,2:6178-6184]，暴露{012}、{014}和{210}晶面的纳米立 方体a-Fe2〇3[Nanoscale. ,2011,3:718-724]，暴露{100}和{115}晶面的空心六棱柱a-Fe2〇3 [Nanoscale· ,2015,7:9416-9420]，暴露{210}和{115}晶面的叉型结构 a-Fe2〇3 [ACS Appl .Mater. Inter. ,2012,4:5698-5703]，暴露{113}晶面的双锥结构 a-Fe2〇3 [ACS Appl.Mater. Inter. ,2014,6:12505-12514]。这些活性晶面的暴露通常认为是甲酰胺、十二 烷基磺酸钠、NaF和油酸选择性吸附剂吸附在高能晶面，降低其表面能和生长速度，从而实 现高活性晶面的暴露，然而这些分子或离子往往占据高活性晶面的活性位，在一定程度上 削弱了高活性晶面反应活性[J. Am. Chem. Soc .，2009，131:4078-4083]。因此，暴露清洁的没 有吸附剂高活性晶面半导体纳米材料的制备是极具挑战性的问题。
[0004] 三维（3D)泡沫结构具有完美的分级结构、大的比表面积和宏观的大尺寸，由于其 具有较小的比重、高的孔隙率、机械稳定性强、导电性好等特点，被广泛应用于储能[ACS Nano. ,2010,4:4324-4330]、吸附[Chem .Eng. J. ,2014,239: 14卜148]、光催化 [Appl ·Catal ·Β:Environ·，2014，144:83-89]、传感[Sens .Actuators B: Chem.，2016，223: 650-657]等领域。目前人们已制备出了a-Fe2〇3海胆状结构[Sens.Actuators B:Chem.， 2009,141:381-389)]、花状结构[Cryst.Eng.Comm. ,2011,13:806-812]、三维有序大孔结构 [化学学报·，2009，17:1957-1961 ]、纳米片阵列结构[Energy Environ · Sci ·，2014，7:3651-3658]和多孔刺状结构[Dalton Trans.，2015，44:9581-9587]。然而，暴露活性晶面纳米结 构单元组装的复杂分级结构a-Fe2〇3至今未见报道。

【发明内容】

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于提供一种操作简单、能耗低、反应周期短、暴露 丨114丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a-Fe2〇3的制备方法。
[0006] 解决上述技术问题所采用的技术方案是：将Fe(N〇3)3 · 9H20、聚乙烯吡咯烷酮、去 离子水按质量比为1: 〇. 2~1:3~7混合均匀，将所得混合液铺展到清洗干净的硅片表面，在 空气气氛中350~700°C保温5~15分钟，自然冷却至常温，得到暴露丨1丨4丨晶面纳米片自组 装的三维网络结构a-Fe203。
[0007] 上述制备方法中，优选Fe(N〇3)3 · 9H20、聚乙烯吡咯烷酮、去离子水的质量比为1: 0.5: 5〇
[0008] 上述制备方法中，进一步优选在空气气氛中650°C保温10分钟。
[0009] 本发明以聚乙烯吡咯烷酮为吸附剂和燃料，采用简单的溶液快速热反应法，一步 反应即可得到暴露丨丨14丨晶面纳米片自组装而成的三维网络结构的a-Fe2〇3。本发明方法简 单易行，成本低廉，生产周期短，产率高，重复性和一致性好，聚乙烯吡咯烷酮在高温下可完 全分解成二氧化碳和水，不会有机物的吸附存在，因此，所制备a_Fe203结晶性好，且是由暴 露清洁的没有吸附剂的高活性晶面纳米片自组装而成的三维网络结构，纳米片的厚度约为 30nm，在气敏传感器、吸附、光催化和锂离子电池等领域具有较好的应用前景和经济效益。
【附图说明】
[0010] 图1是实施例1制备的三维网络结构a-Fe2〇3的XRD图。
[0011] 图2是实施例1制备的三维网络结构a-Fe203的扫描电镜照片。
[0012] 图3是图2的局部放大图。
[0013]图4是实施例1制备的三维网络结构a-Fe2〇3的场发射扫描电镜照片。
[0014] 图5是实施例1中a-Fe2〇3纳米片的透射电子显微镜照片。
[0015] 图6是图5中a-Fe203纳米片的选区高分辩透射电子显微镜照片。
[0016] 图7是图5中a-Fe2〇3纳米片的选区电子衍射图。
[0017]图8是实施例1制备的三维网络结构a-Fe203的氮气脱附-吸附等温线图。
[0018]图9是实施例1制备的三维网络结构a-Fe2〇3的孔径分布图。
[0019]图10是实施例2制备三维网络结构的a-Fe203的扫描电镜照片。
[0020] 图11是实施例3制备的三维网络结构a-Fe203的扫描电镜照片。
[0021] 图12是实施例4制备的三维网络结构a-Fe2〇3的扫描电镜照片。
[0022]图13是实施例5制备的三维网络结构a-Fe203的扫描电镜照片。
[0023]图14是实施例6制备的三维网络结构a-Fe203的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于 这些实施例。
[0025] 实施例1
[0026]将硅片裁成l.OcmX 1.0cm的矩形片，依次用去离子水、无水乙醇分别超声清洗15 分钟，吹干得到清洗干净的硅片，备用；将lg Fe(N〇3)3 · 9H20、0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到 5g去离子水中，混合均匀，然后将所得混合液铺展到清洗干净的硅片表面，再将硅片迅速置 于管式炉中，在空气气氛中650°C保温10分钟，然后迅速推出，自然冷却至常温，得到暴露 {1 14丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a_Fe2〇3。
[0027]由图1可见，所制备的产物为六方相结构单晶Fe203。由图2和图3可见，所得a-Fe 203 呈纳米片自组装而成的三维网络结构。由图4可知，纳米片的厚度约为30nm。由图5~7可知， 该纳米片暴露彳丨14丨晶面，由此可知三维网络结构a-Fe203是由暴露丨Π4丨晶面纳米片自组 装而成。由图8和图9可知，三维网络结构a-Fe203的氮气吸脱附等温曲线符合第IV类吸附等 温曲线，比表面积为16.75m2/g，孔径分布在40nm左右。
[0028] 实施例2
[0029] 本实施例中，加入0.2g聚乙烯吡咯烷酮，其他步骤与实施例1相同，得到暴露p 14f 晶面纳米片自组装的三维网络结构a-Fe203(见图10)。
[0030] 实施例3
[0031] 本实施例中，加入lg聚乙烯吡咯烷酮，其他步骤与实施例1相同，得到暴露彳114f 晶面纳米片自组装的三维网络结构a-Fe2〇3(见图11)。
[0032] 实施例4
[0033] 本实施例中，在空气气氛中350°C保温10分钟，其他步骤与实施例1相同，得到暴露 {1丨4丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a_Fe 203(见图12)。
[0034] 实施例5
[0035]本实施例中，在空气气氛中450°C保温10分钟，其他步骤与实施例1相同，得到暴露 11 14丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a-Fe2〇3(见图13)。
[0036] 实施例6
[0037]本实施例中，在空气气氛中550°C保温10分钟，其他步骤与实施例1相同，得到暴露 {1 14丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a-Fe2〇3(见图14)。
【主权项】
1. 一种暴露P14丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a-Fe203制备方法，其特征在于:将 Fe (N03)3 ? 9H20、聚乙烯吡咯烷酮、去离子水按质量比为1:0.2~1:3~7混合均匀，将所得混 合液铺展到清洗干净的硅片表面，在空气气氛中350~700°C保温5~15分钟，自然冷却至常 温，得到暴露fl I#晶面纳米片自组装的三维网络结构a_Fe203。2. 根据权利要求1所述的暴豁丨114丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a_Fe203的制备 方法，其特征在于:所述Fe (N03)3 ? 9H20、聚乙烯吡咯烷酮、去离子水的质量比为1:0.5:5。3. 根据权利要求1或2所述的暴露彳1丨4丨晶面纳米片自组装的三维网络结构a_Fe203的制 备方法，其特征在于:在空气气氛中650 °C保温10分钟。
【文档编号】B82Y30/00GK106044863SQ201610373078
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】杨合情, 马勇, 袁煜昆, 石倩, 张芳娟, 裴翠锦
【申请人】陕西师范大学