一种二氧化钒纳米棒的制备方法与流程

本发明涉及一种二氧化钒纳米棒的制备方法，属于纳米材料及纳米材料技术领域。

背景技术：

材料的形貌结构对材料的催化性能具有较大的影响。一维纳米材料，如纳米线、纳米棒、纳米管等，由于在特定维度的限域效应，使其具有优异的电子传输特性，易于电荷的快速传递和电荷分离。对于半导体材料，优异的电荷分离往往导致高的光催化活性。

二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物,被广泛应用于制备智能控温薄膜、光催化、锂电池、智能电子器件等领域。其独特的可变价态和较窄的能带间隙，非常适合做为光催化过硫酸盐活化、类芬顿反应的催化剂。但是由于二氧化钒的晶体结构不利于材料在特定维度上的定域生长，所以在液相合成条件下，很难采用自下而上的化学方法得到一维结构的二氧化钒。且现有合成二氧化钒纳米结构的方法主要是采用水热法或溶剂热法，该方法需要将样品置于密闭的反应釜中，通过较高的温度对反应体系进行加压加热，不仅需要大量的电能资源，且反应体系存在爆炸等风险，同时在反应过程中通常需要加入表面活性剂等诱导材料的取向生长，而表面活性剂分子通常会紧密吸附在材料的表面，这会影响后续的催化反应过程。上述技术问题严重制约了二氧化钒在光催化剂等领域的应用。因此，提供一种在常温常压下可控制备一维纳米结构二氧化钒的方法是十分必要的。

技术实现要素：

本发明为了解决现有现有技术制备的二氧化钒存在光生电荷分离效率低，光生载流子在转移过程中易于复合，难以得到一维纳米结构的问题，提供一种二氧化钒纳米棒的制备方法。

本发明的技术方案：

一种二氧化钒纳米棒的制备方法，该方法的操作步骤为：

步骤一，将二氧化钒粉末和三聚氰胺分散在去离子水中，室温搅拌，得到砖红色糊状溶液；

步骤二，将步骤二获得的砖红色糊状溶液离心，弃上清液后，先用去离子水洗涤，再用乙醇洗涤，干燥，得到砖红色固体；

步骤三，将步骤二获得的砖红色固体研磨后在氮气氛围下，焙烧，得到黑色的二氧化钒固体。

优选的：所述的步骤一中二氧化钒和三聚氰胺的摩尔质量比为1:(1～10)。

优选的：所述的步骤一中室温搅拌条件为搅拌速度为100-400r/min，磁力搅拌2-4小时。

优选的：所述的步骤二中离心转速为4000r/min，离心时间为5分钟。

优选的：所述的步骤二中水洗醇洗为去离子水离心洗涤三次后使用无水乙醇离心洗涤三次，其中离心转速为4000r/min。

优选的：所述的步骤二中干燥条件为60℃真空干燥240min。

优选的：所述的步骤三中焙烧条件为10-50ml/min的氮气气氛下，600℃-800℃焙烧2h-4h。

优选的：所述的步骤一中的三聚氰胺使用二氰二胺替换。

本发明具有以下有益效果：本发明的方法利用三聚氰胺可以实现对五氧化二钒颗粒进行组装，并且在氮气气氛下焙烧后，由于三聚氰胺热解释放的还原性其他如氨等，对五氧化二钒进行弱还原，最终得到较为均匀的一维纳米结构的二氧化钒。该二氧化钒纳米棒具有较好的光生电荷分离效率，表现出优异的光催化析氧活性。此外本发明的制备方法不使用表面活性剂等诱导材料，而是使用价格低廉，易于生产的三聚氰胺，在常温此常压下，利用其表面丰富的氨基基团之间的相互作用和范德华力等进行组装纳米颗粒，得到一维纳米结构的二氧化钒纳米棒。

附图说明

图1为本发明制备的二氧化钒纳米棒的sem照片；

图2为本发明制备的二氧化钒纳米棒的x射线衍射图；

图3为本发明制备的二氧化钒纳米棒的光催化产氧性能和稳定性示意图。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。

具体实施方式1：制备二氧化钒纳米棒

首先，将1m的五氧化二钒粉末和1m的三聚氰胺混合后，分散在100ml的去离子水中，在室温下以100r/min的搅拌速度磁力搅拌2h，得到砖红色的糊状溶液；

然后，将上述步骤得到的砖红色的糊状溶液在4000r/min的条件下离心，弃上清液，并进行水洗3次和醇洗3次后，置于60℃真空干燥箱中烘干，得到砖红色的一维纳米结构二氧化钒前驱体；

最后，将砖红色的一维纳米结构二氧化钒前驱体研磨成粉末后放于管式炉内，在20ml/min的氮气氛围下，600℃下焙烧2h，得到黑色的二氧化钒纳米棒。

对上述方法制备得到的二氧化钒纳米棒进行性能测试，测试结果如下：

对二氧化钒纳米棒进行获得二氧化钒纳米棒的表面形态，测试结果如图1所示。由图1可知制备的二氧化钒为一维纳米结构，其长度约为10微米，直径约为500纳米。纳米线由直径约为400纳米的球形二氧化钒组装而成，这是三聚氰胺诱导五氧化二钒组装形成一维结构的结果。

对二氧化钒纳米棒的粉末进行x-rd测试，测试结果如图2所示。由图2可知，样品的衍射峰与标准谱库(jcpdsno.82-0061)的卡片号相一致，证明制备的纳米线样品为纯相的二氧化钒。此外，从其较高的峰强度上看，样品具有较好的结晶度。

对二氧化钒纳米棒的光催化产氧性能和稳定性进行测试，测试的具体过程为：光催化产氢测试由北京中教金源cel-sph2n光解水产氢在线测试系统测定。光催化反应光源为300w氙灯(北京中教金源celhx300)。将0.1g光催化剂分散至含有100ml二次水的反应器中。同时加入0.68g硝酸银作为电子受体，反应前用超声波分散催化剂2min，并通高纯氮气40min排除反应体系中的氧气，实验开始前对反应器抽真空以排除溶解在水中的残余的o2、co2等气体。反应瓶口用硅橡胶密封，反应在室温下进行，并用电磁搅拌器保持悬浮状态。氢气通过气相色谱(京科瑞达sp7800)在线监测。反应后的气相产物通过定量管在线进入气相色谱仪分析，检测器为tcd，载气为氮气，分离棒为5a分子筛棒。循环实验测试条件同上，不同的是当一个测试周期结束后，将设备排空，并进行上述实验操作。测试结果如图3所示，由图3可知样品表现出了较好的光催化产氧活性，氧气产率可达5微摩尔/小时。这是由于材料的一维结构有利于光生电荷传输，进而减少了光生电子和空穴的复合，提高了光生电荷分离的结果。经过三次循环以后，样品仍保持较好的稳定性，其产氧量也随光照时间的延长而不断提高，这些都充分说明了样品具有较好的稳定性。