一种尺寸可控的金属氧化物二维材料纳米片的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种尺寸可控的金属氧化物二维材料纳米片的制备方法。该方法包括步骤，按照比例称取原始氧化物，原始氧化物混合物充分研磨后进行热重分析，根据热重曲线，设计第一阶段烧结温度和第二阶段烧结温度；按照比例，配制不超过一公斤的原始氧化物混合物，原始氧化物混合物放入加热装置中，采用所选取的温度进行加热处理，得到金属氧化物原始层状材料；对所得金属氧化物原始层状材料进行质子化作用和有机碱剥离，即得到金属氧化物二维材料纳米片。本发明专利技术方法所采取特殊热处理方法使产生的二氧化碳等气体得到有效的处理，最终的层状材料尺寸可以从小尺寸到大尺寸可控制备，并且实现了二维材料的批量式公斤级制备。且实现了二维材料的批量式公斤级制备。且实现了二维材料的批量式公斤级制备。

【技术实现步骤摘要】
一种尺寸可控的金属氧化物二维材料纳米片的制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料制备
，具体涉及一种尺寸可控的金属氧化物二维材料纳米片的制备方法。

技术介绍

[0002]二维材料的制备和合成是目前研究的热点。二维材料纳米片由于超薄的结构以及独特的物理化学性质，在许多领域有着广阔的应用前景。相对于如今层出不穷的二维材料的剥离方法，对于控制二维材料生长尺寸大小的研究却少之又少。这主要是因为二维材料在生长时受温度和时间的影响较大，而这两项变量在生长的过程中比较难控制。相比较大尺寸的二维材料纳米片，小尺寸的二维材料纳米片具有更多的边缘位置，在催化、超级电容器等诸多领域有着更广泛的应用。目前剥离得到的二维材料制作方法所得到的纳米片的尺寸无法得到有效的控制，只能通过细胞破碎等方法进行切割，过程繁琐。因此，简化二维材料的制作工艺以及控制二维材料生长尺寸是研究的重点和难点。
[0003]除此之外，目前对二维材料的研究许多只局限于实验室中，在二维材料领域中，只有石墨烯实现了二维材料的产业化。目前已知的二维材料的制作方法中，对二维材料的大批量制备的研究少之又少。这极大地限制了二维材料广泛应用到生产生活中。并且二维材料的制作成本非常的昂贵。已知的市场上出售的氧化石墨烯纳米片的一公斤售价大概售价在万元左右，目前仅有石墨烯实现了产业化，而石墨烯的产业化制备方法无法被其他二维材料所采用。这就导致了二维材料实际应用领域的大片空白。因此，二维材料的低成本公斤级制备具有极其重要的研究意义。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种尺寸可控的金属氧化物二维材料纳米片的制备方法。具体技术方案如下：
[0005]本专利技术提供的一种尺寸可控的金属氧化物二维材料纳米片的制备方法，包括如下步骤：
[0006]按照比例称取原始氧化物，原始氧化物混合物充分研磨后进行热重分析，根据热重曲线，设计第一阶段烧结温度和第二阶段烧结温度；
[0007]按照比例，配制不超过一公斤的原始氧化物混合物，原始氧化物混合物放入加热装置中，在第一阶段烧结温度和第二阶段烧结温度下加热处理，得到金属氧化物原始层状材料；
[0008]对所得金属氧化物原始层状材料进行质子化作用和有机碱剥离，即得到金属氧化物二维材料纳米片。
[0009]本专利技术的上述技术方案中，所述第一阶段烧结温度包含2～3个温度段；
[0010]所述第一阶段烧结温度的设计原则为：控制在所述第一阶段烧结温度下，原始氧化物混合物的失重量为0.04wt％/h～50wt％/h；
[0011]优选地，所述第一阶段烧结温度为450℃～800℃
[0012]所述第二阶段烧结温度为800℃～900℃。
[0013]不同阶段烧结温度的作用不同，第一阶段烧结温度采用低温目的是使金属碳酸盐缓慢放气，为了确保气体在第二阶段烧结温度加热前被排掉大部分，以防止在最终加热的过程中炉内气压过大造成爆炸，通常第一阶段烧结温度包含2～3个温度段，不同的温度段所对应的热重曲线的斜率要适中，即气体排放的速率要适中；第二阶段烧结温度采用高温用于反应生成层状氧化物。
[0014]本专利技术的上述技术方案中，所述加热装置为温度可达800℃及以上的加热炉，如可为马弗炉。
[0015]本专利技术的上述技术方案中，加热处理过程中，在每个温度段烧结完成后，取出混合物研磨再进行下一个温度段烧结，目的是使其在接下来的烧结过程中反应更加充分，在研磨完后对混合物粉末进行称重，计算出二氧化碳的排出量，使反应充分进行，气体得到充分的排放。
[0016]本专利技术的上述技术方案中，通过控制第二阶段烧结温度和反应时间来控制材料的生长尺寸。如升高温度、延长反应时间，则会最终得到大尺寸的二维纳米材料；相反的降低温度、适当缩短反应时间，则会得到小尺寸的二维纳米材料。
[0017]本专利技术的上述技术方案中，所述加热装置与石灰水联通。通过高温煅烧的方法得到金属氧化物原始层状材料的过程中，产生的主要气体为二氧化碳，在所述的低温加热的过程中，通过加热装置连接一根通风管联通到到石灰水中，对产生的大量气体进行处理，减少碳排放，增加了实验过程的安全性。如不锈钢通风管，其可以承受马弗炉中产生的高温气体，并且长度足够可以连通到石灰水中。
[0018]本专利技术的上述技术方案中，所述质子化作用和有机碱剥离的具体操作为：向所得金属氧化物原始层状材料中加入酸进行置换，置换完成后，将粉体分离，然后向粉体中加入有机碱，再加入水，使粉体均匀分布到溶液中，即得；
[0019]优选地，在质子化作用和有机碱的剥离过程中进行机械搅拌，如通过特氟龙搅拌器进行机械搅拌，机械搅拌的速度为100
‑
2000rpm，通过搅拌使物质进行充分且快速的反应；
[0020]所述质子化作用的时间为1～7天，有机碱剥离的时间为1～7天，为了使反应更加的充分，可以相应延长质子化作用和有机碱剥离的时间；
[0021]优选地，每天加入新的酸进行置换；
[0022]优选地，所述粉体在溶液中的浓度为0.01
‑
100mg/ml。
[0023]本专利技术的上述技术方案中，所述质子化作用使用浓度为0.1
‑
5M的酸溶液，所述酸选自盐酸、硝酸、硫酸或磷酸；为了有足够的氢离子可以与原始材料中的质子发生置换，每置换一天左右加入新的酸溶液，以确保有足够的氢离子进行质子化；质子化结束后，通过过滤或者静置等方法将粉体分离出来，以去除原始材料中的杂质离子，使产品更加纯净；
[0024]所述有机碱选自四丁基氢氧化铵或者四甲基氢氧化铵，所述有机碱按照氢氧根和质子化后材料中的氢离子等摩尔质量加入，以确保剥离的充分以及纳米片分散的均匀。
[0025]本专利技术的上述技术方案中，所述金属氧化物原始层状材料为含有碱金属和碱土金属的层状金属氧化物，优选地，所述金属氧化物原始层状材料包括钛酸锂钾、钛铁酸锂钾、
钛钴酸锂钾、铌酸钙钾、铌酸钠钙钾、钴酸钠、钴锰酸钠或钨酸铯钾。
[0026]本专利技术的上述技术方案中，所述金属氧化物二维材料纳米片包括钛铁氧二维材料纳米片、氧化钛二维材料纳米片、氧化锰二维材料纳米片、钴锰氧二维材料纳米片或铌酸钙二维材料纳米片。
[0027]本专利技术的上述技术方案中，所述金属氧化物二维材料纳米片的粒径大小为500～800nm。
[0028]进一步地，所述金属氧化物二维材料纳米片为氧化钛二维材料纳米片时：
[0029]所述第一阶段烧结温度包括2个温度段，所述两个温度段的温度分别为650℃和750℃；所述第二阶段烧结温度为800℃；
[0030]优选地，在第一阶段烧结温度和第二阶段烧结温度下加热处理具体为：在650℃加热5h，在750℃加热4h，在800℃加热2～14h。
[0031]本专利技术的有益效果：
[0032]1、本专利技术提供的尺寸可控的金属氧化物纳米片的制备方法，通过观察原始氧化物的热重曲线，设置分段本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种尺寸可控的金属氧化物二维材料纳米片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：按照比例称取原始氧化物，原始氧化物混合物充分研磨后进行热重分析，根据热重曲线，设计第一阶段烧结温度和第二阶段烧结温度；按照比例，配制不超过一公斤的原始氧化物混合物，原始氧化物混合物放入加热装置中，在第一阶段烧结温度和第二阶段烧结温度下加热处理，得到金属氧化物原始层状材料；对所得金属氧化物原始层状材料进行质子化作用和有机碱剥离，即得到金属氧化物二维材料纳米片。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一阶段烧结温度包含2～3个温度段；所述第一阶段烧结温度的设计原则为：控制在所述第一阶段烧结温度下，原始氧化物混合物的失重量为0.04wt％/h～50wt％/h；优选地，所述第一阶段烧结温度为450℃～800℃所述第二阶段烧结温度为800℃～900℃。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在第一阶段烧结温度的每个温度段加热完成后，取出混合物研磨再进行下一温度的加热处理。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述加热装置为温度可达800℃及以上的加热炉；优选地，所述加热装置与石灰水联通。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述质子化作用和有机碱剥离的具体操作为：向所得金属氧化物原始层状材料中加入酸进行置换，置换完成后，将粉体分离，然后向粉体中加入有机碱，再加入水，使粉体均匀分布到溶液中，即得；优选地，在质子化作用和有机碱的剥离过程中进行机械搅拌；优选地，所述机械搅拌的速度为100
‑
200...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡兴科，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：