本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，尤其涉及一種羽毛狀五氧化二鈮納米帶及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

五氧化二鈮具有較強(qiáng)的紫外吸收能力，可用作紫外敏感材料的保護(hù)膜，也可以用于特種光學(xué)玻璃，光導(dǎo)纖維，鍍膜材料等方面。此外，還可應(yīng)用于陶瓷電容器，壓電陶瓷，催化劑，以及存儲(chǔ)氫氣，特殊鋼鈮合金的原料。另外由于五氧化二鈮特殊的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，將其用作電極材料也具有很大的發(fā)展前景。但目前的五氧化二鈮用作電極材料和催化劑材料存在活性偏低的問題，故急需研發(fā)活性更高的五氧化二鈮材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種反應(yīng)活性更高的羽毛狀五氧化二鈮納米帶及其制備方法。

一種羽毛狀五氧化二鈮納米帶，所述五氧化二鈮納米帶包括主干和兩組分支結(jié)構(gòu)，所述五氧化二鈮納米帶的主干長度為10-30μm，寬度為0.1-4μm，所述兩組分支結(jié)構(gòu)分別沿著主干的兩側(cè)向外生長，每組分支結(jié)構(gòu)包括多根五氧化二鈮納米刺，每根五氧化二鈮納米刺的長度為0.1-1.2μm，每組分支結(jié)構(gòu)的多根五氧化二鈮納米刺近似平行。

上述方案中，每根五氧化二鈮納米刺與主干的夾角為60-70度。

所述的羽毛狀五氧化二鈮納米帶的制備方法，包括以下步驟:

1)將五氧化二鈮納米帶粉末放入管式爐中，在氨氣氣氛下升溫至500-800℃，保溫2-5h，最后隨爐冷卻至室溫，得到黑色粉末；

2)取步驟1)中產(chǎn)物，在空氣氣氛中煅燒，其中反應(yīng)溫度為400-600℃，反應(yīng)時(shí)間為2-5h，黑色粉末轉(zhuǎn)化為白色粉末；

3)取步驟2)中產(chǎn)物，放入管式爐，再次在氨氣氣氛中刻蝕，升溫至200-500℃，保溫2-5h，得到略有淡黃色的粉末，此時(shí)，得到產(chǎn)物為羽毛狀五氧化二鈮納米帶。

上述方案中，所述五氧化二鈮納米帶的制備方法為：取0.26g鈮粉，加入5-10mol L^-1NaOH溶液，攪拌30min，放入反應(yīng)釜中，在120-160℃條件下，反應(yīng)16小時(shí)后，將得到鈮酸鈉納米帶，多次洗滌過濾后，再將鈮酸鈉納米帶放入0.05mol L^-1鹽酸之中，得到鈮酸納米帶，干燥后得到五氧化二鈮納米帶。

所述的羽毛狀五氧化二鈮納米帶在鋰電池中的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明所制備的羽毛狀五氧化二鈮納米帶，其結(jié)構(gòu)由一個(gè)明顯的主干和數(shù)級(jí)分支結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，此特殊結(jié)構(gòu)具有很多細(xì)小的枝干使其比表面積增大，從而可以提供更多的活性位點(diǎn)，反應(yīng)活性更高。因此作為電極材料和催化劑材料可以大大提高電化學(xué)性質(zhì)和催化活性，在儲(chǔ)能和催化等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

2.通過水熱反應(yīng)和后續(xù)的退火處理，制備具有特定結(jié)構(gòu)的羽毛狀氧化鈮納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有大的比表面積，具有比普通氧化鈮納米帶更好的電池性能。

3.本技術(shù)所用到的方法簡便，易操作，具有很好的發(fā)展前景。

附圖說明

圖1為對(duì)比例中普通五氧化二鈮納米帶的SEM形貌表征；

圖2為實(shí)施例1中羽毛狀五氧化二鈮納米帶的SEM形貌表征；

圖3為實(shí)施例1所得的羽毛狀五氧化二鈮納米帶和對(duì)比例中普通五氧化二鈮納米帶的XRD表征；

圖4為實(shí)施例1所得的羽毛狀五氧化二鈮納米帶與對(duì)比例中普通五氧化二鈮納米帶電池倍率對(duì)比圖；

圖5為實(shí)施例1所得的羽毛狀五氧化二鈮納米帶與對(duì)比例中普通五氧化二鈮納米帶電池的循環(huán)曲線對(duì)比圖；

圖6為實(shí)施例1所得的羽毛狀五氧化二鈮納米帶與對(duì)比例中普通五氧化二鈮的吸附與解吸附曲線圖；

圖7為實(shí)施例2中羽毛狀五氧化二鈮納米帶的SEM形貌表征；

圖8為實(shí)施例3中羽毛狀五氧化二鈮納米帶的SEM形貌表征；

圖9為實(shí)施例4中羽毛狀五氧化二鈮納米帶的SEM形貌表征；

圖10為實(shí)施例5中羽毛狀五氧化二鈮納米帶的SEM形貌表征。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。

對(duì)比例

取0.26g鈮粉，加入10mol L^-1NaOH溶液，攪拌30min，放入反應(yīng)釜中，在160℃條件下，反應(yīng)16小時(shí)后，將得到鈮酸鈉納米帶，多次洗滌過濾后，再將鈮酸鈉納米帶放入0.05molL^-1鹽酸之中，得到鈮酸納米帶，干燥后得到五氧化二鈮納米帶。

實(shí)施例1

1)取0.26g鈮粉，加入10mol L^-1NaOH溶液，攪拌30min，放入反應(yīng)釜中，在160℃條件下，反應(yīng)16小時(shí)后，將得到鈮酸鈉納米帶，多次洗滌過濾后，再將鈮酸鈉納米帶放入0.05mol L^-1鹽酸之中，得到鈮酸納米帶，干燥后得到五氧化二鈮納米帶。

2)將五氧化二鈮納米帶粉末，放入管式爐中，在氨氣氣氛下升溫至700℃，保溫3h，最后隨爐冷卻至室溫，得到黑色粉末。

3)取步驟2)中產(chǎn)物，在空氣氣氛中煅燒，其中反應(yīng)溫度為500℃，反應(yīng)時(shí)間為3h，黑色粉末轉(zhuǎn)化為白色粉末。

4)取步驟3)中產(chǎn)物，放入管式爐，再次在氨氣氣氛中刻蝕，升溫至300℃，保溫3h，得到略有淡黃色的粉末。此時(shí)，我們得到的產(chǎn)物為羽毛狀五氧化二鈮納米帶。

對(duì)比例中，我們得到的是普通五氧化二鈮納米帶，其形貌見圖1，其中納米帶寬度大約在0.15-0.5μm，長度在10-20μm左右，且分布均勻。并由圖2，X射線衍射圖譜可知，普通五氧化二鈮的pdf卡片序號(hào)為(JPCDS No.30-0873)，晶體為正交型晶系。實(shí)施例1得到的羽毛狀五氧化二鈮納米帶的X射線衍射圖譜和普通五氧化二鈮納米帶的X射線衍射圖譜基本相同，因此具有相同的晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)過處理的五氧化二鈮形貌上發(fā)生了較大的改變，見圖2，五氧化二鈮納米帶的主干長度為10-20μm，寬度為0.1-0.2μm，分支結(jié)構(gòu)分別沿著主干的兩側(cè)向外生長并近似平行，每組分支結(jié)構(gòu)包括多根五氧化二鈮納米刺，每根五氧化二鈮納米刺的長度為0.1-0.4μm，每根五氧化二鈮納米刺與主干的夾角為60-70度。圖6的吸附和解吸附曲線圖表明了該羽毛狀五氧化二鈮納米帶比表面積高達(dá)33m²g^-1，遠(yuǎn)高于對(duì)比例普通五氧化二鈮納米帶(9m²g^-1)。羽毛狀五氧化二鈮納米帶與電解液的接觸面積有了明顯的提高，不僅利于鋰離子和電子的傳輸，也有利于電極材料電導(dǎo)率的增加，進(jìn)一步提高了鋰離子和電子在充放電過程中的傳輸速率。因此，該羽毛狀結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了較好的充放電比容量和較好的循環(huán)性能。在圖5中，在電流密度為200mA g^-1充放循環(huán)300圈后，該羽毛狀五氧化二鈮納米帶仍具有230mAh g^-1的容量，而對(duì)比例普通氧化鈮納米帶材料僅有105mAh g^-1的容量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于具有羽毛狀結(jié)構(gòu)的材料。并且羽毛狀五氧化二鈮納米帶的孔道是開放的結(jié)構(gòu)，在多次循環(huán)后仍就保持原來的容量而不衰減。同時(shí)圖4的倍率曲線表明，羽毛狀結(jié)構(gòu)仍舊有良好的倍率性能，在5A g^-1電流密度下還能保持120mAh g^-1的容量，而對(duì)比例普通五氧化二鈮納米帶僅有50mAh g^-1左右。因此實(shí)施例1得到的羽毛狀結(jié)構(gòu)五氧化二鈮納米帶電化學(xué)性能優(yōu)于對(duì)比例普通五氧化二鈮納米帶結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

1)取0.26g鈮粉，加入5mol L^-1NaOH溶液，攪拌30min，放入反應(yīng)釜中，在120℃條件下，反應(yīng)16h后，將得到鈮酸鈉納米帶，多次洗滌過濾后，再將鈮酸鈉納米帶放入0.05molL^-1鹽酸之中，得到鈮酸納米帶，干燥后得到五氧化二鈮納米帶。

2)將五氧化二鈮納米帶粉末，放入管式爐中，在氨氣氣氛下升溫至500℃，保溫2h，最后隨爐冷卻至室溫，得到黑色粉末。

3)取步驟2)中產(chǎn)物，在空氣氣氛中煅燒，其中反應(yīng)溫度為400℃，反應(yīng)時(shí)間為2h，黑色粉末轉(zhuǎn)化為白色粉末。

4)取步驟3)中產(chǎn)物，放入管式爐，再次在氨氣氣氛中刻蝕，升溫至200℃，保溫2h，得到略有淡黃色的粉末。此時(shí)，我們得到的產(chǎn)物為羽毛狀五氧化二鈮納米帶。

采用電子掃描電鏡對(duì)本實(shí)施案例所得的羽毛狀五氧化二鈮進(jìn)行表征，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可知，本實(shí)施案例制備的氧化鈮仍舊為羽毛狀結(jié)構(gòu)。該五氧化二鈮納米帶的主干長度為10-15μm，寬度為0.1-1μm，分支結(jié)構(gòu)分別沿著主干的兩側(cè)向外生長并近似平行，每組分支結(jié)構(gòu)包括多根五氧化二鈮納米刺，每根五氧化二鈮納米刺的長度為0.4-1μm，每根五氧化二鈮納米刺與主干的夾角為60-70度。并且該羽毛狀五氧化二鈮納米帶比表面積高達(dá)30m²g^-1，遠(yuǎn)高于對(duì)比例普通五氧化二鈮納米帶(9m²g^-1)。

測試手段與實(shí)施例1中相同，測試結(jié)果顯示，該羽毛狀五氧化二鈮納米帶仍具有210mAhg^-1的容量，在電流密度為200mA g^-1充放循環(huán)300圈后仍保持91.5％的容量。

實(shí)施例3

1)取0.26g鈮粉，加入10mol L^-1NaOH溶液，攪拌30min，放入反應(yīng)釜中，在160℃條件下，反應(yīng)16小時(shí)后，將得到鈮酸鈉納米帶，多次洗滌過濾后，再將鈮酸鈉納米帶放入0.05mol L^-1鹽酸之中，得到鈮酸納米帶，干燥后得到五氧化二鈮納米帶。

2)將五氧化二鈮納米帶粉末，放入管式爐中，在氨氣氣氛下升溫至800℃，保溫5h，最后隨爐冷卻至室溫，得到黑色粉末。

3)取步驟2)中產(chǎn)物，在空氣氣氛中煅燒，其中反應(yīng)溫度為600℃，反應(yīng)時(shí)間為5h，黑色粉末轉(zhuǎn)化為白色粉末。

4)取步驟3)中產(chǎn)物，放入管式爐，再次在氨氣氣氛中刻蝕，升溫至500℃，保溫5h，得到略有淡黃色的粉末。此時(shí)，我們得到的產(chǎn)物為羽毛狀五氧化二鈮納米帶。

采用電子掃描電鏡對(duì)本實(shí)施例所得的羽毛狀五氧化二鈮進(jìn)行表征，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知，本實(shí)施案例制備的氧化鈮仍舊為羽毛狀結(jié)構(gòu)。該五氧化二鈮納米帶的主干長度為10-15μm，寬度為0.1-0.5μm，分支結(jié)構(gòu)分別沿著主干的兩側(cè)向外生長并近似平行，每組分支結(jié)構(gòu)包括多根五氧化二鈮納米刺，每根五氧化二鈮納米刺的長度為0.2-0.8μm，每根五氧化二鈮納米刺與主干的夾角為60-70度。并且該羽毛狀五氧化二鈮納米帶比表面積高達(dá)28m²g^-1，遠(yuǎn)高于對(duì)比例普通五氧化二鈮納米帶(9m²g^-1)。

測試手段與實(shí)施例1中相同，測試結(jié)果顯示，該羽毛狀五氧化二鈮納米帶仍具有228mAhg^-1的容量，在電流密度為200mA g^-1充放循環(huán)300圈后仍保持95.3％的容量。

實(shí)施例4

1)取0.26g鈮粉，加入6mol L^-1NaOH溶液，攪拌30min，放入反應(yīng)釜中，在150℃條件下，反應(yīng)16小時(shí)后，將得到鈮酸鈉納米帶，多次洗滌過濾后，再將鈮酸鈉納米帶放入0.05mol L^-1鹽酸之中，得到鈮酸納米帶，干燥后得到五氧化二鈮納米帶。

2)將五氧化二鈮納米帶粉末，放入管式爐中，在氨氣氣氛下升溫至600℃，保溫5h，最后隨爐冷卻至室溫，得到黑色粉末。

3)取步驟2)中產(chǎn)物，在空氣氣氛中煅燒，其中反應(yīng)溫度為500℃，反應(yīng)時(shí)間為2h，黑色粉末轉(zhuǎn)化為白色粉末。

4)取步驟3)中產(chǎn)物，放入管式爐，再次在氨氣氣氛中刻蝕，升溫至400℃，保溫3h，得到略有淡黃色的粉末。此時(shí)，我們得到的產(chǎn)物為羽毛狀五氧化二鈮納米帶。該五氧化二鈮納米帶的主干長度為15-30μm，寬度為0.5-4μm，分支結(jié)構(gòu)分別沿著主干的兩側(cè)向外生長并近似平行，每組分支結(jié)構(gòu)包括多根五氧化二鈮納米刺，每根五氧化二鈮納米刺的長度為0.2-1.2μm，每根五氧化二鈮納米刺與主干的夾角為60-70度。并且該羽毛狀五氧化二鈮納米帶比表面積高達(dá)26m²g^-1，遠(yuǎn)高于對(duì)比例普通五氧化二鈮納米帶(9m²g^-1)。

采用電子掃描電鏡對(duì)本實(shí)施案例所得的羽毛狀五氧化二鈮進(jìn)行表征，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可知，本實(shí)施例制備的氧化鈮仍舊為羽毛狀結(jié)構(gòu)。

測試手段與實(shí)施例1中相同，測試結(jié)果顯示，該羽毛狀五氧化二鈮納米帶仍具有218mAhg^-1的容量，在電流密度為200mA g^-1充放循環(huán)300圈后仍保持92.3％的容量。

實(shí)施例5

1)取0.26g鈮粉，加入8mol L^-1NaOH溶液，攪拌30min，放入反應(yīng)釜中，在120℃條件下，反應(yīng)16小時(shí)后，將得到鈮酸鈉納米帶，多次洗滌過濾后，再將鈮酸鈉納米帶放入0.05mol L^-1鹽酸之中，得到鈮酸納米帶，干燥后得到五氧化二鈮納米帶。

2)將五氧化二鈮納米帶粉末，放入管式爐中，在氨氣氣氛下升溫至600℃，保溫4h，最后隨爐冷卻至室溫，得到黑色粉末。

3)取步驟2)中產(chǎn)物，在空氣氣氛中煅燒，其中反應(yīng)溫度為600℃，反應(yīng)時(shí)間為4h，黑色粉末轉(zhuǎn)化為白色粉末。

4)取步驟3)中產(chǎn)物，放入管式爐，再次在氨氣氣氛中刻蝕，升溫至350℃，保溫3h，得到略有淡黃色的粉末。此時(shí)，我們得到的產(chǎn)物為羽毛狀五氧化二鈮納米帶。該五氧化二鈮納米帶的主干長度為10-15μm，寬度為0.5-1μm，分支結(jié)構(gòu)分別沿著主干的兩側(cè)向外生長并近似平行，每組分支結(jié)構(gòu)包括多根五`氧化二鈮納米刺，每根五氧化二鈮納米刺的長度為0.2-0.8μm，每根五氧化二鈮納米刺與主干的夾角為60-70度。并且該羽毛狀五氧化二鈮納米帶比表面積高達(dá)29m²g^-1，遠(yuǎn)高于對(duì)比例普通五氧化二鈮納米帶(9m²g^-1)。

采用電子掃描電鏡對(duì)本實(shí)施例所得的羽毛狀五氧化二鈮進(jìn)行表征，結(jié)果如圖10所示。從圖10中可知，本實(shí)施案例制備的氧化鈮仍舊為羽毛狀結(jié)構(gòu)。

測試手段與實(shí)施例1中相同，測試結(jié)果顯示，該羽毛狀五氧化二鈮納米帶仍具有208mAhg^-1的容量，在電流密度為200mA g^-1充放循環(huán)300圈后仍保持90.7％的容量。