一种大尺寸二维非晶金属氧化物材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于常规金属无机盐的大尺寸二维非晶金属氧化物材料及其通用制备方法。本发明专利技术以常规金属无机盐为原料，以去离子水和氨气(NH3)中的一种或两种作为成型辅助剂，通过煅烧处理中成型辅助剂引发的剧烈气体释放产生的强烈发泡作用调节非晶金属氧化物的生长过程，使非晶金属氧化物呈现出各向异性生长，最终制备得到大尺寸二维非晶金属氧化物。具体步骤为：首先备齐常规金属无机盐原料，然后使用去离子水和氨气(NH3)中的一种或两种作为大尺寸二维非晶金属氧化物成型辅助剂，选定成型辅助剂后将原料置于氧化铝坩埚中放入马弗炉或管式炉内进行低温煅烧，最后收集所获得的粉末状产物即为所述大尺寸二维非晶金属氧化物。与传统制备方法相比，本发明专利技术所涉及的常规金属无机盐价格低廉易获得，反应条件温和，不涉及高温高压反应，并且对环境污染小，适用于工业化大批量生产。制备得到的大尺寸非晶金属氧化物横向尺寸在几十微米到几百维米范围内，具有薄层、大尺寸的特性，可应用于能量存储、催化、力学和电子工业(如栅极电介质)等领域。域。域。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸二维非晶金属氧化物材料及其制备方法


[0001]本专利技术专利属于二维非晶金属氧化物合成
，具体涉及不同种类的大尺寸二维非晶金属氧化物以及二维非晶金属氧化物的制备方法，尤其涉及一种基于金属无机盐的大尺寸二维非晶金属氧化物材料及其通用制备方法。

技术介绍

[0002]片状非晶金属氧化物代表了一类重要的材料，由于其短程有序、长程无序的特殊原子排列以及特殊的二维平面结构(主要形貌特征是具有较小的厚度与较大的径厚比)，使其在能量存储、催化、力学和电子工业(如栅极电介质)中具有广泛的应用。例如，半导体非晶金属氧化物如氧化铟锡(IGZO)作为薄膜电子器件中的晶体硅和发光二极管显示器中的有机材料的替代品，具有透光性、电导率和良好的可扩展性，表现出绝佳的综合性能。绝缘非晶金属氧化物如二氧化硅(SiO2)和高介电常数的二氧化铪(HfO2)是逻辑器件中的关键工业电介质，用作栅极绝缘体和存储器件。在能源存储领域，片状非晶金属氧化物独特的内部结构赋予它们更小的体积膨胀率，较快的离子扩散速率和更多的活性位点，对于长期的电化学电荷储存表现出巨大的潜在优势。
[0003]尽管几种目前已经建立的湿化学方法成功地制备了金属氧化物的薄膜和聚集粉末，但是对于一些强酸弱碱盐(FeCl3、Zr(NO3)4、Cr(NO3)3、Al(NO3)3等)极易沉淀而形成对应的金属氧化物纳米颗粒，很难形成对应的片状非晶金属氧化物。因此，由于非晶态纳米材料复杂的生长机理，对于非晶金属氧化物尺寸和形状的可控合成仍然是一个巨大的挑战。
[0004]基于此，本专利技术提供了一种基于金属无机盐的可控合成的大尺寸二维非晶金属氧化物材料及其通用制备方法。其中，所述大尺寸二维非晶金属氧化物的通用制备方法适用于包括一元化合物、二元化合物和三元化合物在内的多个体系，可合成出超过10种类型的大尺寸二维非晶金属氧化物。该方法操作简单，不涉及复杂的操作流程；工艺成本低，所使用的原料成本低廉，商业可获得且加工过程不涉及高成本、高能耗和高污染的工艺流程；具有可扩展性，可通过制备设备的增容和工艺参数的等比例放大即可实现大尺寸二维非晶金属氧化物的批量化制备。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服二维非晶金属氧化物的制备难点，提供一种可控合成的大尺寸二维非晶金属氧化物材料及其通用制备方法。本专利技术所述通用制备方法以常规金属无机盐作为制备原料，反应条件温和，没有环境污染，制备工艺成本低，可扩展性强，可用于大尺寸二维非晶金属氧化物批量化制备。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于常规金属无机盐的大片层二维非晶金属氧化物制备方法，其特征在于，包含了使用去离子水和氨气(NH3)中的一种或两种作为大片层二维非晶金属氧化物成型辅助剂的步骤。
[0008]进一步的，上述基于常规金属无机盐的大片层二维非晶金属氧化物制备方法，包含了按照常规金属无机盐中的金属原子和去离子水之间的摩尔比为1∶6～600来制备混合物料的步骤。
[0009]进一步的，上述基于常规金属无机盐的大片层二维非晶金属氧化物制备方法，包含了低温煅烧过程中NH3通量为20sccm～100sccm的步骤。
[0010]进一步的，上述基于常规金属无机盐的大片层二维非晶金属氧化物制备方法，包括如下步骤：
[0011]S1、备齐常规金属无机盐原料；
[0012]S2、使用去离子水和氨气(NH3)中的一种或两种作为大尺寸二维非晶金属氧化物成型辅助剂；其中，以去离子水为成型辅助剂时，去离子水在低温煅烧之前同金属无机盐混合并温和搅拌得到均匀混合物料，随后进行煅烧；以NH3为成型辅助剂时，NH3作为气态成型辅助剂在金属无机盐原料煅烧过程中通入反应腔室中辅助大尺寸片层非晶金属氧化物制备；
[0013]S3、将原料置于氧化铝坩埚中放入马弗炉或管式炉内进行低温煅烧；
[0014]S4、低温煅烧后，收集所获得的粉末状产物即为所述大尺寸二维非晶金属氧化物。
[0015]优选的是，步骤S1中，常规金属无机盐包括但不限于硝酸铝、硝酸镓、硝酸铬、硝酸锆、硝酸铟、硝酸铁、硝酸铜、硝酸锌以及二氯氧化铪中的一种或几种。
[0016]优选的是，步骤S1中，对于二元体系和三元体系的二维非晶金属氧化物制备，需要按照金属原子摩尔比将不同种类的金属无机盐原料进行混合。
[0017]优选的是，步骤S2中，以去离子水为成型辅助剂时，混合物料按照金属无机盐中的金属原子和去离子水之间的摩尔比为1∶6～600来进行制备并在温和搅拌条件下混合均匀。
[0018]优选的是，步骤S2中，以NH3为成型辅助剂时，将金属无机盐原料或者金属无机盐和去离子水混合后制备的混合物料置于低温煅烧腔室中，整个煅烧过程中持续通入20sccm～100sccm的NH3。其中，NH3通量与反应腔室体积呈正比例关系。
[0019]优选的是，步骤S3中，马弗炉或管式炉以5～20℃/min的升温速率从室温升高温度至250～800℃。
[0020]优选的是，步骤S3中，马弗炉或管式炉在煅烧温度下保温时间为30～180min。
[0021]优选的是，步骤S4中，低温煅烧结束后马弗炉或管式炉自然冷却至室温。
[0022]在所述大尺寸二维非晶金属氧化物的通用制备方法中，以常规金属无机盐作为原料，通过去离子水、NH3或者去离子水和NH3协同作用辅助大尺寸二维非晶金属氧化物成型。低温煅烧过程中，利用在特定温度下非晶态物质的稳定性，将常规金属无机盐转变为非晶态材料，同时在成型辅助剂的诱导下，制备得到大尺寸二维非晶金属氧化物。
[0023]以去离子水作为成型辅助剂时，在特定温度下去离子水沸腾产生的发泡作用诱导常规金属无机盐在转变为非晶态金属氧化物的过程中各向异性生长，形成具有较大径厚比的大尺寸二维非晶金属氧化物。在特定温度下的煅烧过程中，金属无机盐的分解和去离子水的沸腾几乎同步进行，氧化物的“生长”过程中遇到水剧烈沸腾产生的气泡导致非晶态金属氧化物在鼓泡方向上的择优取向，最终产生具有宏观到微观孔的非晶氧化物泡沫。在这种泡沫中通过非晶氧化物的大尺寸片层相互交错和堆叠构成了基本的多空隙三维网络结构。这些片层即为所述的大尺寸非晶金属氧化物，具有较高的表面光洁度和较大的长径比，
厚度可达几微米，横向尺寸可达几十微米到几百微米。
[0024]由于去离子水沸腾产生的发泡作用，金属无机盐在分解后形成非晶态的金属氧化物的过程中产生一定的择优取向，最终制备得到的生长产物表现为由非晶金属氧化物大片层构成的多孔结构，经过处理之后即为所述的大尺寸二维非晶金属氧化物。为进一步解释去离子水作为成型诱导剂的关键作用和机理，采用没有足够去离子水添加剂的对照组进行了对比。通过对比发现，如果没有水剧烈沸腾产生的发泡作用，煅烧后的最终产品表现为没有任何薄片的亚微米超细粉末，非晶金属氧化物各向同性生长，这有力地表明了剧烈的水沸腾和足够的气体释放对多孔结构和大尺寸二维片层的形成具有关键作用。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于常规金属无机盐的大尺寸二维非晶金属氧化物制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、备齐常规金属无机盐原料；S2、使用去离子水和氨气(NH3)中的一种或两种作为大片层二维非晶金属氧化物成型辅助剂；其中，以去离子水为成型辅助剂时，去离子水在低温煅烧之前同金属无机盐混合并温和搅拌得到均匀混合物料，随后进行煅烧；以NH3为成型辅助剂时，NH3作为气态成型辅助剂在金属无机盐原料煅烧过程中通入反应腔室中辅助大尺寸片层非晶金属氧化物制备；S3、将原料置于氧化铝坩埚中放入马弗炉或管式炉内进行低温煅烧；S4、低温煅烧后，收集所获得的粉末状产物即为所述大尺寸片层非晶金属氧化物。2.根据权利要求1所述的大尺寸二维非晶金属氧化物的制备方法，其特征在于，步骤S1中，常规金属无机盐包括但不限于硝酸铝、硝酸镓、硝酸铬、硝酸锆、硝酸铟、硝酸铁、硝酸铜、硝酸锌以及二氯氧化铪中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的大尺寸二维非晶金属氧化物的制备方法，其特征在于，包含了二元体系和三元体系的二维非晶金属氧化物制备过程中需要按照金属原子摩尔比将不同种类的金属无机盐原料进行混合的步骤。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，李锐杰，于树磊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：