形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法技术

本发明专利技术属于半导体纳米材料制备技术领域，公开了一种在导电基底上实现快速合成形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的方法。该方法首先通过涂覆加煅烧的办法在基底上制备钒酸铋晶种层，然后在近常温和常压的条件下利用湿化学合成方法，调节生长环境的酸碱度和生长时间等其它参数，无须其它的结构导向剂和形貌调节剂的辅助下即可合成不同形貌的一维钒酸铋的纳米阵列。该方法可在导电基底上快速可控地合成不同的一维钒酸铋纳米阵列，整个生长过程快速高效，制备条件温和安全，极大的简化了传统的一维材料制备方法工艺。维材料制备方法工艺。

【技术实现步骤摘要】
形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法


[0001]本专利技术属于无机半导体纳米材料制备
，具体涉及一种快速合成多种形貌钒酸铋纳米阵列的湿化学法制备工艺。

技术介绍

[0002]近年来，利用太阳能驱动热力学禁阻化学反应作为一种新兴的绿色低碳技术，比如它可以直接利用太阳光催化水和二氧化碳等有机小分子的转化从而实现太阳能的存储利用。因此，在可再生能源的开发技术中，光(电)催化技术具有重大的潜力。
[0003]光(电)催化最重要的任务是开发一种高效的半导体光催化剂材料，目前已经报道的材料中，钒酸铋(BiVO4)是一种极具潜力的光催化剂，其具有较窄的光学带隙，约为2.4eV，可以吸收520nm前的太阳光，理论转化效率可达9.5％，且合成原料比较低廉，制备方法简单且稳定可靠，在可见光催化研究领域受到越来越多的关注，但目前的转化效率依旧偏低。一维半导体纳米阵列由于具有更高的吸光能力，更短的载流子收集距离和更高的比表面，在太阳能转化领域里得到广泛的应用。
[0004]目前已有的报道里，一维钒酸铋的制备多采用回流法和高温高压的水热法，如Jinzhan Su 等人提供了一种采用回流法制备钒酸铋纳米线的方法，将制备有钒酸铋晶种层的FTO放入装有钒酸铋的前驱溶液锥形瓶中，随后在加热搅拌下回流6h，再在500℃下退火(Jinzhan Su, LiejinGuo,SorachonYoriya,and Craig A.Grimes.Aqueous Growth of Pyramidal
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Shaped BiVO4 Nanowire Arrays and Structural Characterization:Application to Photoelectrochemical WaterSplitting.Cryst.Growth Des.,2010,10(2):856
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861)。或是秦冬冬等人将加热回流改为120℃水热8h，在高温高压的条件下生长钒酸铋纳米阵列(CN 106745249 A)。但上述方法均存在以下缺点：1、对反应装置要求复杂，工艺繁琐耗时，因此成本高；2、制备过程在加热搅拌下回流，对于薄膜制备来说非常不利，容易损坏电极；3、水热反应要求专门的水热高压釜，对设备提出更高的要求，且有安全隐患。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种制备过程简单易操作，无复杂设备要求，合成工艺简单高效安全的一维BiVO4纳米阵列的湿化学制备方法。
[0006]本专利技术的目的是通过如下方式实现的：形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法，主要包括以下步骤：首先在基底上通过涂覆前驱液加煅烧的方法进行BiVO4晶种层的制备，然后在近常温和常压的条件下利用湿化学合成方法，通过控制生长液的酸碱度、生长温度、生长时间等参数，通过钒酸铋前驱物的溶解重结晶在基底上生长得到不同形貌的一维BiVO4纳米阵列，该方法无须其它的结构导向剂和形貌调节剂的辅助，可在导电基底上快速可控地合成不同的一维钒酸铋纳米阵列，整个生长过程快速高效，制备条件温和安全，极大的简化了传统的一维材料制备方法工艺。
[0007]上述在基底上生长一维钒酸铋纳米阵列的方法，具体包括以下步骤：
[0008](1)钒酸铋种子液的配制
[0009]将硝酸铋和五氧化二钒以及柠檬酸溶解在稀硝酸溶液中，形成溶液A，再向溶液A中加入PVA和醋酸，适当加热搅拌使粘结剂PVA完全溶解，得到具有一定粘度的钒酸铋种子液；
[0010](2)钒酸铋晶种层的制备
[0011]将上述得到的钒酸铋种子液涂覆在洗净的基底上，再放入马弗炉中以5℃/min的升温速率升到400～500℃，热处理2～4h，得到钒酸铋晶种层；
[0012](3)钒酸铋纳米阵列的制备
[0013]将等量的硝酸铋和偏钒酸铵溶解于稀硝酸溶液中，得到金黄色的溶液，待其完全溶解后缓慢加入一定量的NaHCO3至得到黄色的悬浊液，在继续搅拌的情况下将该悬浊液加入平放有晶种片(钒酸铋晶种层)的玻璃瓶中，保证悬浊液没过晶种层，放入预热好的水浴锅中静置生长一段时间后取出，快速用超纯水将电极冲洗干净，自然晾干备用；
[0014](4)钒酸铋纳米阵列的退火
[0015]将步骤(3)制得的样品置于马弗炉或管式炉中，在一定温度下煅烧退火得到与导电基底具有良好接触的钒酸铋纳米阵列。
[0016]进一步的，在上述技术方案中，步骤(1)中，所述的硝酸铋、五氧化二钒、柠檬酸与稀硝酸溶液的比例2～5mmol：2～5mmol：8～10mmol：10～20mL，稀硝酸溶液中最终的硝酸的浓度在2～4M之间，,稀硝酸溶液、醋酸与PVA的比例为10～20mL：2～3mL：0.3～0.5g。
[0017]进一步的，在上述技术方案中，步骤(1)中，所述的PVA的醇解度为60％～90％，优选为90％；聚合度为1000～2000，优选为1788。
[0018]进一步的，在上述技术方案中，步骤(2)中，所述的导电基底为透明导电玻璃、Si片中的一种；所述的透明导电玻璃为FTO。
[0019]进一步的，在上述技术方案中，步骤(2)中，所述的涂覆方法为旋涂。
[0020]进一步的，在上述技术方案中，步骤(2)中，所述的旋涂转速为2000～3000rpm，旋涂时间为20～30s。
[0021]进一步的，在上述技术方案步骤(3)中，所述的硝酸铋和偏钒酸铵最终的摩尔浓度为 0.02～2M；向超纯水中加入浓硝酸得到稀硝酸的溶液，所述的浓硝酸的用量保证最终的硝酸浓度在2～4M之间；碳酸氢钠与稀硝酸溶液的比例为3～5g：20～30mL水浴生长的温度保持在40～80℃，生长时间维持在10
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40min。
[0022]进一步的，在上述技术方案中，取适量悬浊液加入平放有钒酸铋晶种层的玻璃瓶中，加入的生长悬浊液为10～20mL；玻璃瓶的大小控制在与钒酸铋晶种层大小相当即可；。
[0023]进一步的，在上述技术方案中，步骤(4)中所述的升温煅烧退火是指在以2～10℃/min 的速率升温至300～600℃，保持60～120min。
[0024]由上述方法可控制备得到的形貌不同的一维钒酸铋纳米阵列，包括超细的纳米线、以及纳米棒、纳米锥三种形貌。前述的纳米线的直径小于50nm，长径比大于3；纳米棒的直径大于50nm，长径比同样大于3；纳米锥长度大于200nm，尖端直径在20纳米以下，且纳米锥尖端的曲率可控。
[0025]上述的形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列在光电催化中具有良好的应用前景，主要在半导体光电化学转化以及催化和光电领域的半导体器件中的应用。
[0026]本专利技术的机理为：
[0027]本专利技术采用溶液化学的方法在导电基底上可控生长不同形貌的一维钒酸铋纳米阵列。首先采用旋涂加煅烧的方法在导电基底上制备钒酸铋的晶种薄层，再以该晶种层为生长源，通过溶液化学的方法在基底上生长钒酸铋的纳米阵列。在水浴加热的环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.形貌可控的一维钒酸铋纳米阵列的快速合成方法，其特征在于：主要包括以下步骤：1)钒酸铋种子液的配制将硝酸铋和五氧化二钒以及柠檬酸溶解在稀硝酸溶液中，形成溶液A，再向溶液A中加入PVA和醋酸，搅拌至完全溶解，得到钒酸铋种子液；(2)钒酸铋晶种层的制备将上述得到的钒酸铋种子液涂覆在基底上，再放入马弗炉中以一定的的升温速率升到400～500℃，热处理2～4h，得到钒酸铋晶种层；(3)钒酸铋纳米阵列的制备将等量的硝酸铋和偏钒酸铵溶解于稀硝酸溶液中，加入一定量的NaHCO3至得到黄色的悬浊液，将悬浊液加入平放有钒酸铋晶种层的玻璃瓶中，放入水浴锅中静置生长一段时间后取出，用超纯水将电极冲洗干净，自然晾干备用；(4)钒酸铋纳米阵列的退火将步骤(3)制得的样品置于马弗炉或管式炉中，在一定温度下煅烧退火，得到钒酸铋纳米阵列。2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的硝酸铋、五氧化二钒、柠檬酸与稀硝酸溶液的比例2～5mmol：2～5mmol：8～10mmol：10～20mL，稀硝酸溶液中硝酸的浓度为2～4M，,稀硝酸溶液、醋酸与PVA的比例为10～20mL：2～3mL：0.3～0.5g。3.根据权利要求1所述的合成方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：章福祥，杨能聪，祁育，郭向阳，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：