以棉纤维为牺牲模板的管状纳米金属氧化物及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种以棉纤维为牺牲模板的管状纳米金属氧化物的制备方法，包括以下步骤：先将棉花纤维置于金属离子浓度为0.05～0.20mol/L的含金属硝酸盐的前驱体溶液中浸泡一定时间后取出，去除多余的前驱体溶液，充分干燥，得到第一产物；再将所述第一产物置于1400～1700℃下燃烧15～30s，即得到管状纳米金属氧化物。本发明专利技术提供的制备方法，利用棉花纤维作为生物质模板，可极大地减少合成管状纳米金属氧化物的成本，且易于大规模生产；棉纤维前驱体模板通过高温燃烧消耗的方式处理，仅需15～30s即可去除，相较于其他合成方法，有更快速、更高效节能等优势。此外，通过调节前驱体溶液的浓度以及金属离子的种类，可以实现不同金属种类、管壁层数可调节的管状纳米金属氧化物的制备。物的制备。物的制备。

【技术实现步骤摘要】
以棉纤维为牺牲模板的管状纳米金属氧化物及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃烧合成纳米材料领域，具体涉及一种以棉纤维为牺牲模板的管状纳米金属氧化物的制备方法，还涉及一种由该制备方法制得的管状纳米金属氧化物。

技术介绍

[0002]管状结构纳米材料具有独特的物理化学性能，在药物传递、燃料电池、微电子、应用催化和光电转换等领域的应用广泛。如在催化领域，管状结构可以增大催化材料的比表面积，最大限度诱导其暴露更多活性位点，从而提高其催化性能。因此人们近年来，致力于在各领域制备各种管状材料，利用其独特的物理化学性能，获取更好地研究成果。
[0003]纳米管状材料的制备方法有很多。与其他纳米材料的合成方法相比，模板法在控制纳米材料形貌和尺寸方面具有显著的优势，可制得与模板结构相似或互补的纳米材料，近年来成为了纳米材料合成领域的研究热点。模板法为制备具有特殊结构、多功能的人工合成材料提供了独特的途径。选用恰当的模板剂可实现对不同形貌和尺度纳米材料的可控合成，而天然模板因其廉价易得等优势，为定向合成具有介孔结构的纳米材料提供了新的思路。
[0004]现有技术中获得管状纳米材料的方法，多结合模板法，利用现有的一些生物质模板进行前处理后，再经过后续的手段定向去除模板，留下目标产物，如采用化学刻蚀或者进行热处理的方式去除模板。目前技术中，热处理的选择一般为中低温的煅烧去除模板，具体为采用管式炉或者马弗炉进行煅烧，温度多为500～900℃，时间约为2h～5h，存在着有耗时长，能耗高等缺点。此外，采用类似管式炉的较慢的升温速率，长时间的煅烧使得金属氧化物在模板上充分成核生长，形成较厚的管壁，最终制得单层管壁管状纳米材料。此类较慢的升温速率制得的管状金属纳米材料较难出现多层结构。研究表明，在气体反应中，多层材料与单层材料相比，具有较大的空隙容积，能够提供较为充分的反应场所，使得气体反应更加充分。此外，多层材料是较为理想的储能材料，在光催化领域中也具有不错的应用潜力。
[0005]基于此，提供一种工艺简单、操作时间短、产物纯度高，且管壁层数可调节的管状纳米金属氧化物的制备方法，是亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一在于提供一种制造成本低、原料来源广泛、步骤简单快捷、合成过程高效节能、易于大规模生产的管状纳米金属氧化物的制备方法。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供一种成本低、制备工艺简单快捷、管壁层数可调节的以棉纤维为牺牲模板的管状纳米金属氧化物。
[0008]本专利技术实现目的之一采用的技术方案是：提供一种以棉纤维为牺牲模板的管状纳米金属氧化物的制备方法，包括以下步骤：
[0009]将棉花纤维置于含有金属硝酸盐的前驱体溶液中浸泡一定时间后取出，去除多余的前驱体溶液，充分干燥，得到第一产物；所述前驱体溶液中，金属离子的浓度为0.05～
0.20mol/L；将所述第一产物置于1400～1700℃的条件下燃烧15～30s，即得到管状纳米金属氧化物。
[0010]本专利技术采用上述制备方法制得管状纳米金属氧化物的总体思路如下：在渗透的初始阶段，由于棉纤维具有丰富的表面羟基，棉纤维在浸渍过程中有润湿特性金属离子分布在外纤维表面；而后，在高温的火焰场中，高温火焰能够使得前驱体在火焰中分解成单体，不同的金属组分在火焰场中以离子/原子/分子形态均匀混合，在棉花模板表面迅速成核，生长并覆盖棉花模板的表面，形成致密的氧化物薄壳。与此同时，棉花模板被高温燃烧迅速去除，随着棉纤维在煅烧过程中突然坍塌，棉纤维燃烧分解释放气体，冲出致密的氧化物薄壳，最终形成了多孔壁的中空管束氧化物。上述制备方法，不仅能快速去除棉花纤维模板，也能够让金属氧化物快速地成型，在棉花纤维模板上进行高温快速地限域组装，获得结晶度高的管状纳米金属氧化物。
[0011]在本专利技术中，综合考虑到材料的结晶与成型性能，对燃烧温度、燃烧时间进行了严格的限定。燃烧温度需保持在1400～1700℃的范围内，当温度低于上述范围时，棉花纤维模板不能快速完全去除；此外，专利技术人经研究发现，当温度较低时，类似于LaFeO3这种钙钛矿结构难以成型。而如温度高于上述范围，会由于反应程度剧烈导致模板破裂，无法形成管状材料。进一步的，将燃烧时间控制在15～30s，并根据棉花纤维的具体用量在上述时间范围内调整，以实现棉花纤维的完全反应。
[0012]此外，所述前驱体溶液中，金属离子的浓度对制得的管状纳米金属氧化物材料的管壁层数及形貌带来一定的影响：当前驱体溶液中金属离子的浓度较低时，会因浸润不充分，导致难以形成完整的管状结构或形成的管状结构较脆弱的情况出现；而当金属离子浓度过高时，前驱体溶液容易在高温火焰场中出现烧结现象，不仅形成的产物层数过多，而且会丧失中空纤维的结构。综合考虑上述因素，本专利技术将金属离子的浓度设置为0.05～0.20mol/L。在上述浓度范围内，通过调节金属离子的浓度，改变管状纳米材料的管壁的微观形貌，可以是单层、双层或是多层，进而实现了对产物微观形貌的有效调控。
[0013]进一步的，所述金属硝酸盐选自九水合硝酸铁、三水合硝酸铜或六水合硝酸镧中的一种或多种的组合。上述金属硝酸盐制成的前驱体溶液中含有Fe
3+
、La
3+
、Cu
2+
中的一种或多种，并形成对应的氧化物。例如，当金属硝酸盐选自九水合硝酸铁和六水合硝酸镧时，能够形成钙钛矿LaFeO3。
[0014]进一步的，所述棉花纤维与所述前驱体溶液的质量体积比为1:20～1:40g/ml。在该比例范围下，能够确保棉花纤维在前驱体溶液中充分浸润。
[0015]在一些较好的实施方式中，所述前驱体溶液中，金属离子的浓度为0.05mol/L，此时制得的管状纳米金属氧化物材料为单层的管状结构。
[0016]在一些较好的实施方式中，所述前驱体溶液中，金属离子的浓度为0.10～0.20mol/L。研究发现，当金属离子的浓度为0.10mol/L时，制得的管状纳米金属氧化物材料具有双层管状结构，当金属离子浓度高于0.10mol/L时，如0.15mol/L、0.20mol/L时，制得的管状纳米金属氧化物材料具有三层或多层的管状结构。
[0017]进一步的，所述棉花纤维在前驱体溶液中浸泡的时间为15～30min。
[0018]进一步的，采用抽滤的方法去除所述第一产物中多余的前驱体溶液，抽滤的时间为60～90s。抽滤过程能够去除棉花纤维中多余的前驱体溶液，防止过多的前驱体参与反
应，在高温火焰场中烧结，从而无法得到预期形貌。此外，抽滤的时间不宜过长，否则会导致棉纤维吸收的前驱体溶液被抽走。
[0019]进一步的，所述干燥的温度为60～100℃，干燥的时间为12～24h。优选地，干燥的温度为80℃，干燥的时间为24h。
[0020]优选地，燃烧温度为1600～1670℃；更优选地，燃烧温度为1660℃，在该温度条件下，制得的产品的最终形貌最佳。
[0021]进一步的，所述燃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以棉纤维为牺牲模板的管状纳米金属氧化物的制备方法，包括以下步骤：将棉花纤维置于含有金属硝酸盐的前驱体溶液中浸泡一定时间后取出，去除多余的前驱体溶液，充分干燥，得到第一产物；所述前驱体溶液中，金属离子的浓度为0.05～0.20mol/L；将所述第一产物置于1400～1700℃下燃烧15～30s，即得到管状纳米金属氧化物。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属硝酸盐选自九水合硝酸铁、三水合硝酸铜或六水合硝酸镧中的一种或多种的组合。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中，金属离子的浓度为0.10～0.20mol/L。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述棉花纤维与所述前驱体溶液的质量体积比为1:20～1:40g/ml。5.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：田冲，林文升，陈炜，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：