一種鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法，其主要特征是：采用兩步水熱法，首先在摻入少量鋰和較高濃度氫氧化鉀溶液條件下，對二氧化鈦進(jìn)行水熱處理，得到二維含鋰的鈦氧化物納米片；然后，以所得納米片為鈦源，三水合醋酸鉛為鉛源，氫氧化鈉為礦化劑，通過調(diào)控懸濁液的堿濃度，進(jìn)行二次水熱，制得長高比介于4:1~12:1，厚度介于80~200nm的二維鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片。該制備方法成本低廉，易于控制，產(chǎn)物結(jié)晶度和純度高，粉體的分散性較好，工藝相對簡單。
【專利說明】一種鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法，屬于無機(jī)非金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料近來在高效率太陽能電池和光催化領(lǐng)域取得初步進(jìn)展，越來越受到廣泛關(guān)注。鈦酸鉛作為一種典型的鈣鈦礦材料，由于其具有較強(qiáng)的自發(fā)極化，使得鈣鈦礦型鈦酸鉛具有優(yōu)異的壓電、鐵電性能，并在各種傳感器中發(fā)揮重大作用，同時(shí)被視為大容量存儲器的最有希望的選擇。另外，鈦酸鉛作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以用于光催化、納米發(fā)電機(jī)和新型太陽能光伏電池等領(lǐng)域。
[0003]隨著石墨烯的問世，二維納米材料的特殊性能吸引了許多研究者的興趣。這些特殊性質(zhì)主要有光學(xué)性質(zhì)、電磁性質(zhì)、導(dǎo)電性能、化學(xué)和催化性能等。
[0004]從而，制備二維鈣鈦礦型納米材料具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。合成納米鈣鈦礦材料通常采用濕化學(xué)法，比如:溶膠凝膠法、共沉淀法、溶劑熱法、微乳液法和水熱法。其中，水熱法的操作簡便， 通過調(diào)控溶液內(nèi)環(huán)境和反應(yīng)溫度，可以制備出結(jié)晶度好、具有特定形貌和取向的鈣鈦礦型納米材料。由于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物一般為四方相或菱方相，結(jié)構(gòu)各向異性小，難以實(shí)現(xiàn)自發(fā)的取向生長，所以目前多采用模板輔助實(shí)現(xiàn)二維鈣鈦礦型納米材料的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉，過程易于控制的鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法。
[0006]本發(fā)明的鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法，該納米片的長高比介于4:1~12:1，厚度介于8(T200nm，其制備包括以下步驟:
1)將5mmol二氧化鈦粉體加入到氫氧化鉀溶液中，TiO2與KOH的摩爾比為1:25~1:30，充分?jǐn)嚢柚辆鶆驊覞嵋海?br> 2)在步驟I)所得的懸濁液中加入硝酸鋰溶液，TiO2和LiNO3的質(zhì)量比為6:f 8:1，攪拌至少2h ；
3)將步驟2)所制備的懸濁液轉(zhuǎn)移到50mL的潔凈聚四氟乙烯內(nèi)膽中，加去離子水，使懸濁液總體積占反應(yīng)釜內(nèi)膽容積的7/10-4/5，密閉，在15(T200°C保溫l(Tl4h，然后，自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜內(nèi)膽，倒掉上層清液，加入去離子水，將所得產(chǎn)物攪拌至完全懸濁液狀態(tài)，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇反復(fù)清洗，在空氣氣氛下置于6(T75°C烘箱中保溫烘干至乳狀，得到乳狀含鋰的鈦氧化物；
4)在步驟3)所得的乳狀含鋰的鈦氧化物中加入氫氧化鈉溶液，使Ti4+:OF=1: 5^1:50，充分?jǐn)嚢柚辆鶆驊覞嵋海?br> 5)在步驟4)所得的懸濁液中加入加三水合醋酸鉛溶液，使得Pb2+:Ti4+=l:1.2^1:1.25，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅D(zhuǎn)移到50mL的潔凈水熱釜內(nèi)膽中，補(bǔ)加去離子水至反應(yīng)釜內(nèi)膽總?cè)莘e的7/10-4/5，密閉，在12(T200°C下保溫2~14h，然后在空氣中冷卻至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇反復(fù)洗滌，在空氣氣氛下置于6(T75°C烘箱中保溫烘干，得到鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片。
[0007]本發(fā)明中所述的二氧化鈦、三水合醋酸鉛、氫氧化鉀、氫氧化鈉和硝酸鋰均為化學(xué)純。所述的反應(yīng)釜是聚四氟乙烯內(nèi)膽，不銹鋼套件密閉的反應(yīng)釜。
[0008]本發(fā)明通過兩步水熱法制備了長高比介于4: f 12:1，厚度介于8(T200nm的鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片。本發(fā)明在第一步水熱處理二氧化鈦的過程中引入少量鋰，合成了二維含鋰的鈦氧化物納米片，一方面提供了鈦源，另一方面通過在第二步水熱過程中緩慢釋放鈦離子，有效的控制了鈦酸鉛的合成速度，從而可以調(diào)控合成納米鈦酸鉛的形貌結(jié)構(gòu)。該制備方法成本低廉，易于控制，工藝相對簡單，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是含鋰的鈦氧化物的SEM照片；
圖2是鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的XRD圖譜；
圖3是鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0010]以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明方法。
[0011]實(shí)施例1
1)稱取5mmol二氧化鈦粉體加入到20mL的氫氧化鉀溶液中，TiO2與KOH的摩爾比為1:30,磁力攪拌IOmin,得均勻懸池液；
2)在步驟I)所得的懸濁液中加入IOmL硝酸鋰溶液，TiO2和LiNO3的質(zhì)量比為7:1，磁力攪拌2h ；
3)將步驟2)所制備的懸濁液轉(zhuǎn)移到50mL潔凈聚四氟乙烯內(nèi)膽中，加去離子水，使懸濁液總體積占反應(yīng)釜內(nèi)膽容積的4/5，密閉，放入烘箱，在200°C保溫12h。然后，自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜內(nèi)膽，倒掉上層清液，加入去離子水，將所得產(chǎn)物攪拌至完全懸濁液狀態(tài)，用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇清洗3次，在空氣氣氛下置于60°C烘箱中烘干至乳狀，所得產(chǎn)物為含鋰的鈦氧化物，其掃描照片見圖1 ;
4)在步驟3)所得的白色乳狀含鋰的鈦氧化物產(chǎn)物中加入20mL氫氧化鈉溶液，使Ti4+:0H_=1:25，磁力攪拌至均勻懸濁液；
5)在步驟4)所得的均勻懸濁液中加入IOmL三水合醋酸鉛溶液，使得Pb2+:Ti4+=1: 1.2，磁力攪拌2h后轉(zhuǎn)移到50mL的潔凈水熱釜內(nèi)膽中，補(bǔ)加去離子水至反應(yīng)釜內(nèi)膽總?cè)莘e的4/5，密閉，放入200°C的烘箱中保溫12h，然后在空氣中冷卻至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇洗滌3次，在空氣氣氛下置于75°C烘箱中保溫烘干，得到鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片。其XRD圖譜見圖2，由圖可見:所得產(chǎn)品是結(jié)晶良好的四方相鈦酸鉛，且(001)晶面所對應(yīng)的峰相強(qiáng)度明顯增強(qiáng)(與標(biāo)準(zhǔn)譜圖(JCPDS 70-0746)相比)，并且高于(100)晶面的衍射峰強(qiáng)度。其SEM照片見圖3，由圖可見:制得的鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片尺寸相對均一，分散性好，納米片的長高比介于10: f 12:1，厚度介于12(Tl80nm。
[0012]實(shí)施例2
1)稱取5mmol二氧化鈦粉體加入到IOmL的氫氧化鉀溶液中，TiO2與KOH的摩爾比為1:25，磁力攪拌IOmin,得均勻懸池液；
2)在步驟I)所得的懸濁液中加入IOmL硝酸鋰溶液，使TiO2和LiNO3的質(zhì)量比為6:1，磁力攪拌3h ；
3)將步驟2)所制備的懸濁液轉(zhuǎn)移到50mL的潔凈聚四氟乙烯內(nèi)膽中，加去離子水，使懸濁液總體積占反應(yīng)釜內(nèi)膽容積的7/10，密閉，放入烘箱，在200°C保溫12h。然后自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜內(nèi)膽，倒掉上層清液，加入去離子水，將所得產(chǎn)物攪拌至完全懸濁液狀態(tài)，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇清洗2次，在空氣氣氛下置于70°C烘箱中保溫烘干至乳狀，所得產(chǎn)物為含鋰的鈦氧化物；
4)在步驟3)所得的白色乳狀含鋰的鈦氧化物產(chǎn)物中加入15mL氫氧化鈉溶液，使Ti4+:0H_=1:40，磁力攪拌至均勻懸濁液；
5)在步驟4)所得的均勻懸濁液中加入5mL三水合醋酸鉛溶液，使得Pb2+:Ti4+=1: 1.2，磁力攪拌2h后轉(zhuǎn)移到50mL的水熱釜內(nèi)膽中，補(bǔ)加去離子水至反應(yīng)釜內(nèi)膽總?cè)莘e的7/10，密閉，放入200°C的烘箱中保溫10h，然后在空氣中冷卻至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇洗滌2次，在空氣氣氛下置于70°C烘箱保溫烘干，得到鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片，其長高比介于8: f 12:1，厚度介于15(T200nm。
[0013]實(shí)施例3
1)稱取5mmol二氧化鈦粉體加入到20mL氫氧化鉀溶液中，使TiO2與KOH的摩爾比為1:30,磁力攪拌IOmin,得均勻懸池液；
2)在步驟I)所得的懸濁液中加入IOmL硝酸鋰溶液，使TiO2和LiNO3的質(zhì)量比為8:1，磁力攪拌2h ；
3)將步驟2)所制備的懸濁液轉(zhuǎn)移到50mL的潔凈聚四氟乙烯內(nèi)膽中，加去離子水，使懸濁液總體積占反應(yīng)釜內(nèi)膽容積的4/5，密閉，放入烘箱，在200°C保溫12h。然后自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜內(nèi)膽，倒掉上層清液，加入去離子水，將所得產(chǎn)物攪拌至完全懸濁液狀態(tài)，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇清洗2次，在空氣氣氛下置于60°C烘箱中烘干至乳狀，所得產(chǎn)物為含鋰的鈦氧化物。
[0014]4)在步驟3)所得的白色乳狀含鋰的鈦氧化物產(chǎn)物中加入20mL氫氧化鈉溶液，使Ti4+: 0H_=1:20，磁力攪拌至均勻懸濁液；
5)在步驟4)所得的均勻懸濁液中加入IOmL三水合醋酸鉛溶液，使得Pb2+= Ti4+=1: 1.25，快速磁力攪拌2.5h后 轉(zhuǎn)移到50mL的水熱釜內(nèi)膽中，補(bǔ)加去離子水至反應(yīng)釜內(nèi)膽總?cè)莘e的4/5，密閉，放入200 V的烘箱中保溫12h，然后在空氣中冷卻至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇洗滌2次，在空氣氣氛下置于70°C烘箱中保溫烘干，得到鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片，其長高比介于4: f 8:1，厚度介于10(T200nm。
【權(quán)利要求】
1.一種鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法，該納米片的長高比介于4: f 12:1，厚度介于8(T200nm，其制備包括以下步驟: 1)將5mmol二氧化鈦粉體加入到氫氧化鉀溶液中，TiO2與KOH的摩爾比為1:25~1:30，充分?jǐn)嚢柚辆鶆驊覞嵋海? 2)在步驟I)所得的懸濁液中加入硝酸鋰溶液，TiO2和LiNO3的質(zhì)量比為6:f 8:1，攪拌至少2h ； 3)將步驟2)所制備的懸濁液轉(zhuǎn)移到50mL的潔凈聚四氟乙烯內(nèi)膽中，加去離子水，使懸濁液總體積占反應(yīng)釜內(nèi)膽容積的7/10~4/5，密閉，在15(T200°C保溫l(Tl4h，然后，自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜內(nèi)膽，倒掉上層清液，加入去離子水，將所得產(chǎn)物攪拌至完全懸濁液狀態(tài)，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇反復(fù)清洗，在空氣氣氛下置于6(T75°C烘箱中保溫烘干至乳狀，得到乳狀含鋰的鈦氧化物； 4)在步驟3)所得的乳狀含鋰的鈦氧化物中加入氫氧化鈉溶液，使Ti4+:OF=1: 5^1:50，充分?jǐn)嚢柚辆鶆驊覞嵋海? 5)在步驟4)所得的懸濁液中加入加三水合醋酸鉛溶液，使得Pb2+:Ti4+=l:1.2^1:1.25，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅D(zhuǎn)移到50mL的水熱釜內(nèi)膽中，補(bǔ)加去離子水至反應(yīng)釜內(nèi)膽總?cè)莘e的7/10^4/5,密閉，在12(T200°C下保溫2~14h，然后在空氣中冷卻至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，先用去離子水過濾洗滌至中性，再用無水乙醇反復(fù)洗滌，在空氣氣氛下置于6(T75°C烘箱中保溫烘干，得到鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法，其特征是所說的反應(yīng)釜是聚四氟乙烯內(nèi) 膽，不銹鋼套件密閉的反應(yīng)釜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈣鈦礦型鈦酸鉛單晶納米片的制備方法，其特征是所說的二氧化鈦、三水合醋酸鉛、氫氧化鉀、氫氧化鈉和硝酸鋰均為化學(xué)純。
【文檔編號】C30B29/64GK103898607SQ201410120721
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】任召輝, 陳芳, 韓高榮, 鈔春英, 沈鴿 申請人:浙江大學(xué)