一种铌酸钠纳米线的合成方法
【专利摘要】本发明公开了一种铌酸钠纳米线的合成方法，包括NaOH与有机溶剂混合的步骤、水热反应的步骤、洗涤和离心分离的步骤以及烘干的步骤，本发明的方法所用设备简单，反应条件温和，无需中间相前驱体的制备以及后期退火处理；反应原料价格低廉，无需昂贵的表面活性剂作为模板；具有工艺流程简单，节约能源，成本低廉，易于操作和控制，重复性好，便于工业化生产等主要特点，可有效的缩短合成时间，提高生产效率，是一种理想的绿色合成工艺。
【专利说明】一种铌酸钠纳米线的合成方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种铌酸钠纳米线的溶剂热合成方法，尤其涉及一种可重复地一步合成铌酸钠纳米线的方法，属于碱金属铌酸盐纳米功能材料领域。
【背景技术】
[0003]铌酸钠是一种重要的无机非金属功能材料，具有典型的钙钛矿结构，因表现出良好的非线性光学性、铁电性、压电性、光催化性和热释电性等性能，在能量回收、智能传感、能量转化和光催化等领域具有巨大的应用潜力，引起了科学研究和技术应用领域的极大关注。[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.]材料的微观结构，包括颗粒尺寸、形貌和分布等情况对其性能起着决定性的作用。由于界面效应和尺寸效应，低维纳米化的功能材料表现出显著的性能增强。特别地，一维铌酸钠纳米粉体(包括纳米线、纳米纤维、纳米棒等)的压电性能和光催化性能较其他形貌(纳米块、纳米球等)具有明显的优势。[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.]迄今为止，一维铌酸钠粉体的合成主要有熔盐法、静电纺丝法和水热法。Xu采 用熔盐法首先制得K2Nb8O21纳米线模板，再在熔盐条件下进行离子交换进而得到铌酸钠纳米线，工艺比较繁琐，能源消耗大，且具有一定的危险性；[C.Y.Xu,L.Zhen, R.Yang, Z.L.Wang, J.Am.Chem.Soc., 2007，129，15444 - 15445.]静电纺丝法可制备出大小均一，尺寸可控的铌酸钠纳米线，但是需要依赖于昂贵的设备，生产效率极低，不利于工业化；[W.Zeng, X.M.Tao, S.Chen, S.M.Shang, H.L.ff.Chan, S.H.Choy,Energy Environ.Sc1., 2013，6，2631-2638.]目前普遍采用的是水热法加后期退火处理制备铌酸钠纳米线，即在水热条件下通过严格控制工艺参数(如温度、时间、碱度等)得到一维中间产物Na7 (H3O)Nb6O19 HH2O或者Na2Nb2O6，再经过后期退火处理得到铌酸钠纳米线。[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.]水热法制备铌酸钠纳米线较于熔盐法具有明显的优势，但是一维中间产物对反应环境十分敏感，反应条件需要精确控制，同时还需要后期的煅烧处理，能源消耗大，工艺较为繁杂。因此，采用简单的仪器设备，通过简单的工艺方法，实现铌酸钠纳米线的一步法合成对于铌酸钠在能量转换和光催化领域的应用具有重大意义。
[0004]
【发明内容】
[0005]技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种实现铌酸钠纳米线粉体高效快速的一步溶剂热合成方法，通过该方法制备得到的铌酸钠纳米线粉体具有优异的光催化性能和压电性能。
[0006]技术方案
为了解决上述的技术问题，本发明的铌酸钠纳米线的合成方法包括下列步骤:
步骤一:在乙二醇等有机溶剂中按照0.5^1.0mol/L的浓度比例加入NaOH粉体，加热并搅拌2(T30min得到NaOH与有机溶剂的混合溶液；待其充分混合后，向上述混合溶液中加入
0.5^1.5g原料Nb2O5，加热搅拌15~20min，使其均匀混合，形成乳白色的混合溶液；其中，应保证NaOH与Nb2O5的物质的量之比大于I ;
步骤二:将步骤一所得的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，然后将内衬放置于不锈钢水热反应釜中密封，在12(T200°C进行4~16h保温反应，待反应结束后自然冷却至室温得到白色沉淀物；
步骤三:分别采用去离子水和无水乙醇对所得白色沉淀产物进行多次洗涤和离心分离，转速为100(T3000rpm，时间为5~30min，将残余的离子和有机溶剂全部洗尽；
步骤四:在5(T 80°C条件下进行烘干处理，时间为12~24h，得到铌酸钠纳米线粉体。
[0007]本发明的技术方案中，NaOH应先加入乙二醇溶剂中进行搅拌处理，尽可能的使其溶解或者混合均匀，这样可以有效控制NaNbO3纳米线的尺寸均匀性。
[0008]有益效果
本发明的方法所用设备简单，反应条件温和，无需中间相前驱体的制备以及后期退火处理；反应原料价格低廉，无需昂贵的表面活性剂作为模板；具有工艺流程简单，节约能源，成本低廉，易于操作和控制，重复性好，便于工业化生产等主要特点，可有效的缩短合成时间，提高生产效率，是一种理想的绿色合成工艺。与现有技术相比，本发明方法具有的有益效果是:
(O以完全有机溶剂乙二醇作为反应介质，实现铌酸钠纳米线的一步溶剂热合成，工艺流程简单，合成效率高，便于工业化生产；
(2)所需NaOH浓度为0.5~2mol/L，反应温度为12(T200°C，反应条件温和，能源消耗低，安全性高；
(3)所得铌酸钠纳米线的可选择性和可调节性强，NaOH浓度为0.5^2.0mol/L, Nb2O5含量在0.5^1.5g，反应时间在4~16h均能得到铌酸钠纳米线；
(4)如图1、图2、图3的图谱及照片所示，所得铌酸钠纳米线的尺寸更小(l(T20nm)，尺寸分布范围窄，反应重复性好。
[0009]本发明所合成的铌酸钠纳米线尺寸小，分布窄，同时兼具一定的选择性。这种便捷、高效的铌酸钠纳米线合成方法势必为铌酸钠材料的工业化生产以及其在能量转化和光催化领域的应用创造新的机遇和动力。
[0010]
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是在140°C经8h溶剂热反应所得NaNbO3的XRD图谱；
图2是在180°C经8h溶剂热反应所得NaNbO3纳米线的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片；
图3是在200°C经4h溶剂热反应所得NaNbO3纳米线尺寸分布图，其中插图为透射电镜(TEM)照片。
[0012]
【具体实施方式】
[0013]以下结合具体实施例对本发明进行具体说明，但本发明绝非仅限于所述实施例所述的实施方式。凡是采用溶剂热合成铌酸钠一维纳米粉体，以及由本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
[0014]实施例一
在50ml乙二醇溶剂中加入1.6664g NaOH，加热搅拌2(T30min ;待其充分混合后，继续加入1.5g原料Nb2O5,加热搅拌15~20min,使其均匀混合,形成乳白色的混合溶液。将所得混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，然后将内衬放置于不锈钢水热反应釜中密封，在140°C进行8h保温反应，待反应结束后自然冷却至室温。采用去离子水和无水乙醇对所得白色沉淀产物进行多次洗涤和离心分离，转速为3000rpm，时间为lOmin，保证残余的离子和有机溶剂全部洗尽；在60°C条件下进行24h烘干处理，得到铌酸钠(NaNbO3)纳米线粉体。
[0015]实施例二
在50ml乙二醇溶剂中 加入1.6664g NaOH，加热搅拌2(T30min ;待其充分混合后，继续加入1.0g原料Nb2O5,加热搅拌15~20min,使其均匀混合,形成乳白色的混合溶液。将所得混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，然后将内衬放置于不锈钢水热反应釜中密封，在180°C进行8h保温反应，待反应结束后自然冷却至室温。采用去离子水和无水乙醇对所得白色沉淀产物进行多次洗涤和离心分离，转速为3000rpm，时间为lOmin，保证残余的离子和有机溶剂全部洗尽；在50~801:条件下进行12~24h烘干处理，得到铌酸钠(NaNbO3)纳米线粉体。
[0016]实施例三
在50ml乙二醇溶剂中加入3.3328g NaOH，加热搅拌2(T30min ;待其充分混合后，继续加入0.5g原料Nb2O5,加热搅拌15~20min,使其均匀混合,形成乳白色的混合溶液。将所得混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，然后将内衬放置于不锈钢水热反应釜中密封，在200°C进行4h保温反应，待反应结束后自然冷却至室温。采用去离子水和无水乙醇对所得白色沉淀产物进行多次洗涤和离心分离，转速为3000rpm，时间为lOmin，保证残余的离子和有机溶剂全部洗尽；在5(T80°C条件下进行12~24h烘干处理，得到铌酸钠(NaNb03)纳米线粉体。
【权利要求】
1.一种铌酸钠纳米线的合成方法，其特征在于，包括下列步骤: 步骤一:在有机溶剂中按照0.5^1.0mol/L的浓度比例加入NaOH粉体，加热并搅拌2(T30min得到NaOH与有机溶剂的混合溶液；待其充分混合后，向上述混合溶液中加入0.5~1.5g原料Nb2O5,加热搅拌15~20min,使其均匀混合,形成乳白色的混合溶液； 步骤二:将步骤一所得的混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，然后将内衬放置于不锈钢水热反应釜中密封，在12(T200°C进行4~16h保温反应，待反应结束后自然冷却至室温得到白色沉淀物； 步骤三:分别采用去离子水和无水乙醇对所得白色沉淀产物进行多次洗涤和离心分离，转速为100(T3000rpm，时间为5~30min，将残余的离子和有机溶剂全部洗尽； 步骤四:在5(T80°C条件下进行烘干处理，时间为12~24h，得到铌酸钠纳米线粉体。
2.如权利要求1中所述的一种铌酸钠纳米线的合成方法，其特征在于:所选用反应溶剂为乙二醇等有机溶剂。
3.如权利要求1中所述的一种铌酸钠纳米线的合成方法，其特征在于:保证NaOH与Nb2O5的物质的量之比大于1，反应温度为12(T200°C，反应时间为4~16h。
【文档编号】B82Y40/00GK104016408SQ201410255579
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】朱孔军, 古其林, 刘劲松, 王婧, 裘进浩, 刘鹏程 申请人:南京航空航天大学