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一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法技术

技术编号:15678156 阅读:301 留言:0更新日期:2017-06-23 06:03
一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法,它属于过渡金属氧化物纳米材料的技术领域。本发明专利技术要解决现有制备过渡金属氧化物纳米片的方法存在的适用范围窄、工艺复杂、粒子较大、尺寸不均匀以及无法大范围合成的问题。本发明专利技术所述的纳米片是以过渡金属酞菁作为金属源,以氧化石墨烯作为模板,以水合肼作为还原剂,以蒸馏水作为介质,最终通过煅烧制得的;具体方法:一、将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声振动,然后加入过渡金属酞菁,继续超声振动;二、加入水合肼,搅拌,离心分离后烘干;三、恒温煅烧,自然冷却至室温。本发明专利技术产品为独特的2D褶皱纳米片结构,粒子排布均匀且尺寸较小,具有优异的催化性能和较好的稳定性。

Nano film composed of transition metal oxide nano particles and preparation method thereof

The invention relates to a nanometer piece composed of transition metal oxide nano particles and a preparation method thereof, belonging to the technical field of transition metal oxide nanometer material. The invention solves the problems of narrow application range, complex process, large particles, uneven size and wide range synthesis of the transition metal oxide nanometer plate. The nano sheet of the invention is to transition metal phthalocyanine as the metal source, using graphene oxide as template, using hydrazine hydrate as reducing agent, using distilled water as the medium, the final calcined; specific methods: first, the graphene oxide is added to distilled water, ultrasonic vibration, and then joined the transition metal phthalocyanine, continue to ultrasonic vibration; two, adding hydrazine hydrate, stirring, centrifugal separation and drying; three, calcination temperature, natural cooling to room temperature. The product of the invention is a unique 2D folding nanometer slice structure, and the particles are arranged evenly and have smaller size, and the catalyst has excellent catalytic performance and good stability.

【技术实现步骤摘要】
一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法
本专利技术属于过渡金属氧化物纳米材料的
;具体涉及一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法。
技术介绍
由于超薄二维(2D)纳米结构具有巨大的比表面积、机械的灵活性、光学透明、特殊的能带结构和稳定的理化性质等特点,使得其在催化、传感、光伏和电化学等领域已成为近年来国内外争相研究的热点。在绿色化学和可持续发展已经成为全球共识的今天,非贵金属催化剂,尤其是过渡金属氧化物基催化剂,越来越受到学术界和产业界的重视,该类材料地壳储量丰富,价格低廉且催化性能理想,是一种对传统金属基催化剂的理想替代选择。尽管长期以来关于过渡金属氧化物功能材料的研究工作有很多,但到目前为止,其主要的获得形式仍为零维的纳米点和细纳米粒子、一维的纳米线和纳米管以及三维的介孔结构和纳米团簇。相比之下,二维过渡金属纳米材料,特别是那种具有超薄厚度、大面积、独立支撑结构的材料,却是极度稀缺的。目前制备二维过渡金属纳米材料的方法主要是通过将具有层状结构过渡金属氧化物或氢氧化物体相材料进行机械剥离而得到的。令人遗憾地是只有少数的过渡金属氧化物或氢氧化物三维体相材料是具有二维层状弱作用堆叠结构的,并且可以通过剥离来制备二维过渡金属氧化物。此外,剥离法效率很低,产物厚度难控制,显然无法用来实现大规模制备高质量的二维过渡金属氧化物纳米片。因此必须探索新的制备策略,建立适用范围宽的方法来实现过渡金属氧化物纳米片的可控合成,以满足传感、催化、能源存储和电子设备等相关领域对二维金属氧化物日益增长的需求。随着人们对过渡金属氧化物材料研究的不断深入,已有一些过渡金属氧化物纳米片的制备方法被报道出来,例如ZiqiSun等采用普朗尼克P123和乌洛托品在溶液中对钴离子进行组装,静置24h后,将反应液转入反应釜中在170℃条件下高压反应2h,产品经水洗、乙醇洗、150~400℃条件下脱水处理2h,最终制得TiO2、ZnO和Co3O4等金属氧化物纳米片(NatureCommunications,2014,5,3812),所得纳米片尺寸小,无明显粒子结构,但该方法需要多步反应,涉及高温高压溶剂热等操作,涉及药品试剂多,成本高,产率低且反应时间长,难以大规模生产;SakaeTakenaka等人在无水条件下将氧化石墨分别与几种金属醇盐(Ti(OC4H9)4,Zr(OC4H9)4,Nb(OC4H9)5,Sn(OC4H9)4和Ta((OC4H9)5)加入到环己烷中,搅拌几天以上(氧化石墨难于分散在非极性溶剂中),然后在反应釜中180℃高压反应6h,离心干燥后,再在450℃条件下煅烧2h,即制得金属氧化物纳米片(J.Phys.Chem.C2015,119,12445)。该方法使用易水解的金属醇盐为原料(只有少数几种过渡金属可以生成较稳定的金属醇盐),适用范围窄,同样需要多步反应,涉及复杂的无水操作和高温高压溶剂热等过程,成本高,产率低且反应时间长,难以大规模生产。尽管近年来过渡金属氧化物纳米片的制备方法受需求的强烈驱动得到了一定程度的发展,并取得了很多有意义的结果,但是目前的制备技术仍存在诸多问题,如制备方法受原料来源限制,适用范围窄,制备过程步骤繁多,涉及复杂操作如高温高压溶剂热等,产率低且反应时间长,难以大规模生产,此外,制得的过渡金属氧化物纳米片形态、厚薄不易控,有些不是粒子组成,有的粒子较大且分布不均匀。因此,寻求简便、高效且可控的过渡金属氧化物纳米片(尤其是由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片)的制备方法仍是目前亟待解决的重要问题。
技术实现思路
本专利技术要解决现有制备过渡金属氧化物纳米片的方法存在的适用范围窄、工艺复杂、粒子较大、尺寸不均匀以及无法大规模合成的技术问题,提供一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法。为解决上述技术问题,本专利技术所述的过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片是以过渡金属酞菁作为金属源,以氧化石墨烯作为模板,以水合肼作为还原剂,以蒸馏水作为介质,最终通过煅烧制得的;以重量百分比计,原料的配比如下:0.22%~0.46%的氧化石墨烯、0.90%~1.94%的过渡金属酞菁、8.99%~10.43%的水合肼和87.17%~89.89%的蒸馏水;其中,各原料用量之和为100%;具体制备方法是按下述步骤进行的:步骤一、将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声振动30~50min,加入过渡金属酞菁,继续超声振动1~4h;步骤二、然后加入水合肼,在10~50℃条件下搅拌1~2h,离心分离后在80℃条件下烘干;步骤三、再在300~600℃、空气或氧气气氛条件下恒温煅烧1~3h,自然冷却至室温,即得到由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片。所述过渡金属酞菁中的过渡金属为钴、铁、镍、钼、锰或铜;所述水合肼的含水量为20%。步骤一中所述超声的频率为40kHz;步骤三中采用马弗炉进行恒温煅烧。本专利技术采用氧化石墨烯作为模板,以廉价易得的过渡金属酞菁作为金属源,借助金属酞菁与氧化石墨烯之间强烈的π-π作用,首先将过渡金属酞菁原位有序、均匀地诱导组装到氧化石墨烯表面,实现催化剂前驱体的合成,前躯体中氧化石墨烯与表面的过渡金属酞菁紧密结合在一起形成复合体;在氧气或空气条件下煅烧,复合体会剧烈放热,能够将氧化石墨烯和过渡金属酞菁同时分解,形成完全不含氧化石墨烯的过渡金属氧化物纳米片。本专利技术借助金属酞菁与氧化石墨烯之间强烈的π-π作用,将金属酞菁组装到氧化石墨烯表面,实现过渡金属氧化物纳米片的可控合成,制得的纳米片是由过渡金属氧化物纳米粒子构成的,具有独特的2D褶皱纳米片结构,纳米片的大小可随所选氧化石墨烯的尺寸进行调控,且纳米片的厚度可由金属酞菁与氧化石墨烯的比例来控制。本专利技术方法通过金属酞菁与氧化石墨烯之间强烈的π-π作用控制了金属氧化物纳米粒子的生长,获得了尺寸较小(直径为4~10nm)且分布均匀的粒子,这种结构在增大催化剂材料比表面积的同时,能够使其暴露出更多的催化活性位点。本专利技术操作简单、成本低廉、适用于大规模生产。本专利技术制备的过渡金属氧化物纳米片表现了优异的电催化水分解性能和较好的稳定性,在电催化水分解产氧领域具有重要的应用价值。附图说明图1为具体实施方式一所述方法制备的氧化钴纳米片的透射电子显微镜(TEM)图,放大倍率:8000倍;图2为具体实施方式一所述方法制备的氧化钴纳米片的透射电子显微镜(TEM)图,放大倍率:40000倍;图3为具体实施方式一所述方法制备的氧化钴纳米片的原子力显微镜(AFM)图,(A)原子力形貌图,(B)截面分析图;图4为具体实施方式一所述方法制备的氧化钴纳米片的热重分析曲线;图5为具体实施方式一所述方法制备的氧化钴纳米片的XRD图谱;图6为具体实施方式一所述方法制备的氧化钴纳米片的XPS全谱图;图7为具体实施方式一中所述方法制备的氧化钴纳米片的析氧反应LSV曲线(扫速为2mVs-1,溶液为1MKOH)。图8为具体实施方式一中所述方法制备的氧化镍纳米片的析氧反应LSV曲线(扫速为2mVs-1,溶液为1MKOH)。具体实施方式具体实施方式一:本实施方式中由四氧化三钴纳米粒子构成的纳米片是以酞菁钴作为金属源,以氧化石墨烯作为模板,以含水量为20%(质量)的水合肼作为还原剂,以本文档来自技高网
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一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法

【技术保护点】
一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片,其特征在于所述纳米片是以过渡金属酞菁作为金属源,以氧化石墨烯作为模板,以水合肼作为还原剂,以蒸馏水作为介质,最终通过煅烧制得的。

【技术特征摘要】
1.一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片,其特征在于所述纳米片是以过渡金属酞菁作为金属源,以氧化石墨烯作为模板,以水合肼作为还原剂,以蒸馏水作为介质,最终通过煅烧制得的。2.根据权利要求1所述一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片,其特征在于以重量百分比计,原料的配比如下:0.22%~0.46%的氧化石墨烯、0.90%~1.94%的过渡金属酞菁、8.99%~10.43%的水合肼和87.17%~89.89%的蒸馏水。3.根据权利要求2所述一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片,其特征在于所述过渡金属酞菁中的过渡金属为钴、铁、镍、钼、锰或铜。4.根据权利要求2所述一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片,其特征在于所述水合肼的含水量为20%。5.如权利要求1、2、3或4所述的一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片的制备方法,其特征在于所述纳米片的制备方法是按下述步骤进行的:步骤一、将氧化石墨烯加入到蒸馏水中,超声振动30~50min,加入过渡金属酞菁,继续超声...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈志敏吴昊张佳琳吴峰肖菲王彬贺春英吴谊群
申请(专利权)人:黑龙江大学
类型:发明
国别省市:黑龙江,23

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