[發(fā)明專利]一種由過渡金屬氧化物納米粒子構(gòu)成的納米片及其制備方法

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• 申請日: 2017-02-14
• 公開（公告）號: CN106865625A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳志敏;吳昊;張佳琳;吳峰;肖菲;王彬;賀春英;吳誼群
• 申請（專利權(quán)）人: 黑龍江大學(xué)
• 主分類號: C01G51/04
• 分類號: C01G51/04;C01G53/04;B82Y40/00;C25B1/04;C25B11/06
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司23211
• 代理人: 張金珠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于過渡金屬氧化物納米材料的技術(shù)領(lǐng)域；具體涉及一種由過渡金屬氧化物納米粒子構(gòu)成的納米片及其制備方法。

背景技術(shù)

由于超薄二維(2D)納米結(jié)構(gòu)具有巨大的比表面積、機械的靈活性、光學(xué)透明、特殊的能帶結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的理化性質(zhì)等特點，使得其在催化、傳感、光伏和電化學(xué)等領(lǐng)域已成為近年來國內(nèi)外爭相研究的熱點。在綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全球共識的今天，非貴金屬催化劑，尤其是過渡金屬氧化物基催化劑，越來越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的重視，該類材料地殼儲量豐富，價格低廉且催化性能理想，是一種對傳統(tǒng)金屬基催化劑的理想替代選擇。盡管長期以來關(guān)于過渡金屬氧化物功能材料的研究工作有很多，但到目前為止，其主要的獲得形式仍為零維的納米點和細納米粒子、一維的納米線和納米管以及三維的介孔結(jié)構(gòu)和納米團簇。相比之下，二維過渡金屬納米材料，特別是那種具有超薄厚度、大面積、獨立支撐結(jié)構(gòu)的材料，卻是極度稀缺的。目前制備二維過渡金屬納米材料的方法主要是通過將具有層狀結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物或氫氧化物體相材料進行機械剝離而得到的。令人遺憾地是只有少數(shù)的過渡金屬氧化物或氫氧化物三維體相材料是具有二維層狀弱作用堆疊結(jié)構(gòu)的，并且可以通過剝離來制備二維過渡金屬氧化物。此外，剝離法效率很低，產(chǎn)物厚度難控制，顯然無法用來實現(xiàn)大規(guī)模制備高質(zhì)量的二維過渡金屬氧化物納米片。因此必須探索新的制備策略，建立適用范圍寬的方法來實現(xiàn)過渡金屬氧化物納米片的可控合成，以滿足傳感、催化、能源存儲和電子設(shè)備等相關(guān)領(lǐng)域?qū)ΧS金屬氧化物日益增長的需求。隨著人們對過渡金屬氧化物材料研究的不斷深入，已有一些過渡金屬氧化物納米片的制備方法被報道出來，例如Ziqi Sun等采用普朗尼克P123和烏洛托品在溶液中對鈷離子進行組裝，靜置24h后，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)入反應(yīng)釜中在170℃條件下高壓反應(yīng)2h，產(chǎn)品經(jīng)水洗、乙醇洗、150～400℃條件下脫水處理2h，最終制得TiO₂、ZnO和Co₃O₄等金屬氧化物納米片(Nature Communications,2014,5,3812)，所得納米片尺寸小，無明顯粒子結(jié)構(gòu)，但該方法需要多步反應(yīng)，涉及高溫高壓溶劑熱等操作，涉及藥品試劑多，成本高，產(chǎn)率低且反應(yīng)時間長，難以大規(guī)模生產(chǎn)；Sakae Takenaka等人在無水條件下將氧化石墨分別與幾種金屬醇鹽(Ti(OC₄H₉)₄,Zr(OC₄H₉)₄,Nb(OC₄H₉)₅,Sn(OC₄H₉)₄和Ta((OC₄H₉)₅)加入到環(huán)己烷中，攪拌幾天以上(氧化石墨難于分散在非極性溶劑中)，然后在反應(yīng)釜中180℃高壓反應(yīng)6h，離心干燥后，再在450℃條件下煅燒2h，即制得金屬氧化物納米片(J.Phys.Chem.C 2015,119,12445)。該方法使用易水解的金屬醇鹽為原料(只有少數(shù)幾種過渡金屬可以生成較穩(wěn)定的金屬醇鹽)，適用范圍窄，同樣需要多步反應(yīng)，涉及復(fù)雜的無水操作和高溫高壓溶劑熱等過程，成本高，產(chǎn)率低且反應(yīng)時間長，難以大規(guī)模生產(chǎn)。

盡管近年來過渡金屬氧化物納米片的制備方法受需求的強烈驅(qū)動得到了一定程度的發(fā)展，并取得了很多有意義的結(jié)果，但是目前的制備技術(shù)仍存在諸多問題，如制備方法受原料來源限制，適用范圍窄，制備過程步驟繁多，涉及復(fù)雜操作如高溫高壓溶劑熱等，產(chǎn)率低且反應(yīng)時間長，難以大規(guī)模生產(chǎn)，此外，制得的過渡金屬氧化物納米片形態(tài)、厚薄不易控，有些不是粒子組成，有的粒子較大且分布不均勻。因此，尋求簡便、高效且可控的過渡金屬氧化物納米片(尤其是由過渡金屬氧化物納米粒子構(gòu)成的納米片)的制備方法仍是目前亟待解決的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決現(xiàn)有制備過渡金屬氧化物納米片的方法存在的適用范圍窄、工藝復(fù)雜、粒子較大、尺寸不均勻以及無法大規(guī)模合成的技術(shù)問題，提供一種由過渡金屬氧化物納米粒子構(gòu)成的納米片及其制備方法。