一种三元过渡金属氧化物的二维晶体材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种三元过渡金属氧化物的二维晶体材料及其制备方法，属于过渡金属氧化物光电子材料技术领域。本发明专利技术解决现有氧化物的二维材料制备方法制备三元过渡金属氧化物存在的问题。本发明专利技术采用水热辅助法和过饱和析出两步法以纯液相的方法析出二维KNbO

【技术实现步骤摘要】
一种三元过渡金属氧化物的二维晶体材料及其制备方法
本专利技术涉及一种三元过渡金属氧化物的二维晶体材料及其制备方法，属于过渡金属氧化物光电子材料

技术介绍
过渡金属氧化物作为一种重要的功能材料，被广泛的应用于电子、光学和催化领域。随着材料的维度降低，氧化物二维材料展现出了许多体材料不具备的新颖物理特性。然而，制备氧化物二维材料长期以来都是氧化物功能材料领域研究的难点，现有的用于制备氧化物二维材料的方法有：(1)外延生长法，通过分子束外延生长(MBE)或者脉冲激光沉积(PLD)的方式得到纳米尺度的氧化物超晶格薄膜，但是该方法生长三元氧化的条件非常苛刻且无法摆脱基底晶格匹配的限制，使得研究者们对二维氧化物的研究具有很大的局限性，尤其对于高温下易挥发的碱金属铌酸盐体系的制备更是存在巨大的挑战，且该方法价格昂贵，工艺控制严格且复杂，难以实现大规模工业化生产。(2)水热法，水热法作为一种成熟氧化物合成方法，被广泛的用于氧化物纳米结构的制备中。然而，该方法受限于密闭的反应过程，除了改变物质量溶度配比和使用表面活性剂外，无法对反应过程进行操控，致使制备得到的二维氧化物均以纳米薄片的形式存在，其二维尺度限于几十到几百纳米。因此，使用该方法制备获得的二维纳米薄片仅限于催化领域的研究和应用。(3)液态表面反应法，通过控制液态金属或者离子液体的表面反应制备氧化物二维材料，但该方法目前仅限于二元氧化物的二维材料制备，还无法拓展到三元氧化物的制备。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有三元氧化物的二维材料制备方法存在的问题，提供一种新型的三元过渡金属氧化物的二维晶体材料制备方法及应用该方法制备获得的二维晶体材料。本专利技术的技术方案：一种三元过渡金属氧化物的二维晶体材料，该三元过渡金属氧化物为KNbO2，三元过渡金属氧化物二维晶体材料的厚度为0.7～100nm，横向尺寸为20～100μm。上述三元过渡金属氧化物(KNbO2)的二维晶体材料的制备方法，该方法包括以下步骤：步骤一，制备二维KNbO2前驱体：将Nb2O5粉体添加到KOH溶液中，混合均匀后在100～180℃条件下保温6～12h，获得澄清K+/Nb(OH)4-离子溶液，上述离子溶液即为二维KNbO2前驱体；步骤二，将步骤一获得的二维KNbO2前驱体进行蒸发脱水，获得过饱和K+/Nb(OH)4-离子溶液，然后将过饱和K+/Nb(OH)4-离子溶液转移出加热装置，冷却至室温后，获得析出KNbO2·xH2O二维晶体的离子溶液；步骤三，将析出KNbO2·xH2O二维晶体的离子溶液进行过滤分离处理，将获得的固态KNbO2·xH2O二维晶体转移至耐高温衬底上，退火处理脱去结晶水，获得KNbO2二维晶体材料。进一步限定，步骤一中Nb2O5粉体与KOH溶液配比为(0.00005～0.0005)mol：40ml，其中KOH溶液浓度为4～10mol/L。进一步限定，步骤一中将Nb2O5粉体与KOH溶液混合均匀后，在140～160℃保温10h。进一步限定，步骤二中二维KNbO2前驱体蒸发脱水温度为50～70℃，蒸发脱水时间为10min～1h。进一步限定，步骤三中过滤分离处理为抽滤法或者滤纸吸取法。进一步限定，步骤三中退火处理温度为300～400℃。更进一步限定，步骤三中退火处理温度为350℃。进一步限定，步骤三中耐高温衬底为SiO2/Si衬底。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术采用水热辅助和过饱和析出两步法，以纯液相的方法析出二维KNbO2·xH2O二维晶体，通过控制过饱和度和生长时间，实现了KNbO2·xH2O二维晶体的厚度及横向尺寸可控生长，再通过简易的退火脱去结晶水，制备出了具有层状结构的KNbO2三元过渡金属氧化物的二维晶体材料。本方法有效避免传统水热法需要在密闭反应容器中固态原材料通过水热反应获得固态氧化物纳米材料。并且本方法进一步拓展了三元氧化物二维材料的制备方法，相比于现有技术中的外延法和液态金属表面反应的方法而言，该方法原料及制备成本低廉、工艺过程简单且可操控性强。附图说明图1为本专利技术的材料制备工艺流程示意图；图2为KNbO2二维材料原子结构示意图；图3为KNbO2二维材料横截面示意图；图4为KNbO2二维材料层叠结构示意图；图5为KNbO2二维晶体的示意图，其中(d)为KNbO2二维晶体置于SiO2/Si衬底上的光学显微照片，(e)为KNbO2二维晶体原子力显微镜扫描图像，(f)为(e)的高度轮廓测量示意图；图6为KNbO2二维晶体的X射线衍射示意图，其中(g)为KNbO2二维晶体的X射线衍射图谱，(h)为KNbO2二维晶体的X射线光电子能谱分析图；图7为KNbO2二维晶体的能量色散谱成像结果；图8为KNbO2二维晶体平面内的选区电子衍射透射显微镜照片；图9为不同厚度的KNbO2二维晶体纳米片形貌。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。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。实施例1：如图1所示，将0.0003mol的Nb2O5粉体添加在40mL浓度为8mol/L的KOH溶液中，混合均匀后转移至反应釜中，将反应釜转移至箱式电炉中在140℃-160℃温度下保温10h，获得澄清K+/Nb(OH)4-离子溶液作为二维KNbO2前驱体；然后取2mL的二维KNbO2前驱体置于表面皿中，在60℃的恒温干燥箱中进行蒸发脱水处理，处理30min后，获得过饱和K+/Nb(OH)4-离子溶液；然后使用注射器提取1mL过饱和离子溶液于注射器腔体，保持液体处于密闭条件并冷却至室温，将液体滴至光洁SiO2/Si衬底，采用快速吸水滤纸将液体吸干，将衬底置于乙醇中超声15s，取出烘干，获得附着KNbO2·xH2O二维晶体的SiO2/Si衬底；然后将附着KNbO2·xH2O二维晶体的SiO2/Si衬底转移至管式炉中退火，退火温度350℃，退火时间1h，获得厚度为10～50nm的固态KNbO2二维晶体，如图9中(d)、(e)和(f)图所示。对获得的KNbO2二维晶体进行晶体结构表征，表征结果如图2至图8。由图2可知，该二维晶体材料原子结构沿着Z轴方向具有三重对称性，属于R-3m空间群。由图4可知，该二维晶体材料是由K+原子层和NbO2-原子层交替堆叠构成。图5中(d)为KNbO2二维晶体置于SiO2/Si衬底上的光学显微照片，标尺为10μm。图5中(e)为KNbO2二维晶体的原子力显微镜扫描图像，其通过高度轮廓测量如图5中(f)所示，材料单层堆叠厚度为图中阶梯处，厚度为0.7nm。图6中(g)为KNbO2二维晶体材料的X射线衍射图谱，该图证实了KNbO2二维晶体材料层状堆叠单胞尺寸为0.64nm。图6中(h)为KNbO2二维晶体材料的X射线光电子能谱分析，该图证实了KNbO2二维晶体材料中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三元过渡金属氧化物的二维晶体材料，其特征在于，所述的三元过渡金属氧化物为KNbO

【技术特征摘要】
1.一种三元过渡金属氧化物的二维晶体材料，其特征在于，所述的三元过渡金属氧化物为KNbO2，三元过渡金属氧化物二维晶体材料的厚度为0.7～100nm，横向尺寸为20～100μm。


2.权利要求1所述的三元过渡金属氧化物的二维晶体材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一，制备二维KNbO2前驱体：将Nb2O5粉体添加到KOH溶液中，混合均匀后在100～180℃条件下保温6～12h，获得澄清K+/Nb(OH)4-离子溶液，上述离子溶液即为二维KNbO2前驱体；
步骤二，将步骤一获得的二维KNbO2前驱体进行蒸发脱水，获得过饱和K+/Nb(OH)4-离子溶液，然后将过饱和K+/Nb(OH)4-离子溶液转移出加热设备，冷却至室温后，获得析出KNbO2·xH2O二维晶体的离子溶液；
步骤三，将析出KNbO2·xH2O二维晶体的离子溶液进行过滤分离处理，将获得的固态KNbO2·xH2O二维晶体转移至耐高温衬底上，退火处理脱去结晶水，获得KNbO2二维晶体材料。


3.根据权利要求2所述的三元过渡金属氧化物的二维晶体材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤一中Nb2O5粉体与KOH溶液配比为(0....

【专利技术属性】
技术研发人员：朱景川，周飞，刘勇，来忠红，周易，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23