CN102602997B - 一种制备钒酸铟纳米颗粒的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备钒酸铟纳米颗粒的方法，先将硝酸铟、偏钒酸铵和十六烷基三甲基溴化铵溶解在水中，铟：钒摩尔比1:(1~2)混合，然后按铟：钒：十六烷基三甲基溴化铵摩尔比1:(1~2):(0.02~0.05)加入十六烷基三甲基溴化铵，搅拌10~12h，用氢氧化钾调节pH值8，将生成的沉淀过滤、洗涤、干燥，得固体粉末；将固体粉末与10mol/L的氢氧化钾溶液按质量比1:(25~50)的比例混合后置于反应釜中150~180oC水热处理8~24h，得到钒酸铟前驱体，将钒酸铟前驱体经干燥后置于马弗炉中450~550oC焙烧1~2h，自然冷却后即可得到钒酸铟纳米颗粒。本发明操作简单，合成温度相对较低，产品的形貌可控，具有较高的光催化活性，进一步拓宽了钒酸铟纳米材料的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于无机功能材料的制备及应用领域，涉及钒酸铟纳米颗粒的制备方法，特别是基于水热法制备小尺寸钒酸铟纳米颗粒的方法。
背景技术
钒酸铟属于原钒酸盐(M3+VO4 )一类的化合物，包括正交晶系和单斜晶系两种晶系，可用作锂电池阳极材料、电致变色材料等。近年来, 人们发现其在光催化领域也有着巨大的应用潜力。正交晶系的纳米钒酸铟带隙能最低，仅为2.0eV，在小于650nm的波长范围内均有响应，能有效吸收可见光，在太阳能利用、水的可见光光催化分解、环境保护等领域具有较好的应用前景。目前，正交晶系的钒酸铟的合成方法主要有三种：①高温固相合成，但产物中仍含有少量未反应的原材料，且其较小的比表面积不利于该系列光催化剂性能的提高；②溶胶-凝胶法，但其产物需经高温焙烧，晶粒较大；③水热法，但产物中往往混有少量的单斜晶系钒酸铟。这些合成方法都必须在高温条件下进行，且制备出的纳米颗粒尺寸较大。而通过改进水热工艺过程，采用氢氧化钾作为矿化剂，能在相对较低的热处理温度条件下制备小尺寸正交晶系钒酸铟纳米颗粒，是扩展其应用领域的有效途径，而具有理论研究和实际应用价值。
纳米钒酸铟的制备工艺是决定其应用的前提，因而开展纳米钒酸铟的制备工艺研究具有现实意义。正交晶系的纳米钒酸铟的光催化性能与其比表面积密切相关，但现今制备方法合成的钒酸铟催化剂比表面积很小，催化剂的表面活性位少, 导致其光催化活性较低。因而控制其比表面积和孔径尺寸、提高钒酸铟光催化剂的比表面积是钒酸铟光催化技术研究的核心问题，也是钒酸铟实用化过程中必须解决的关键问题。
常规的水热法制备的钒酸铟是无序的, 孔分布宽, 孔壁一般呈无定形态，加入十六烷基三甲基溴化铵做表面活性剂后，通过氢氧化钾溶液的矿化作用，有利于制备大表面积、高孔容、窄孔径分布的介孔材料。且能降低由单斜晶系钒酸铟转变为正交晶系钒酸铟的相转变温度，避免颗粒尺寸的增大，提高其光生电子-空穴对的产额。
由于与其他催化剂相比，钒酸铟纳米颗粒具有光响应范围拓展至可见光条件下的优点，在光催化领域具有显著的优势。因此，研究一种制备高比表面积的正交晶系钒酸铟纳米颗粒的方法将具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于改善钒酸铟纳米颗粒的光催化特性，提供一种基于水热法制备小尺寸钒酸铟纳米颗粒的方法，为提高钒酸铟纳米颗粒在可见光条件下的光催化性能提供新思路。
上述颗粒的粒径一般为5纳米至8纳米。
本发明首先制备钒酸铟前驱体溶胶，然后采用水热法在浓氢氧化钾溶液的矿化作用下制得钒酸铟纳米颗粒，在相对较低的温度条件下焙烧得到正交晶系小尺寸钒酸铟纳米颗粒。上述制备小尺寸钒酸铟纳米颗粒的具体步骤如下：
(1) 制备钒酸铟前驱体
将硝酸铟、偏钒酸铵和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，为表面活性剂）配置成浓度分别为0.5~1.0mol/L、1.0~2.0mol/L和0.01~0.05mol/L的溶液，搅拌条件下按铟：钒摩尔比1:(1~2)混合：然后按铟：钒：十六烷基三甲基溴化铵摩尔比为1:(1~2):(0.02~0.05)的比例加入十六烷基三甲基溴化铵，继续搅拌10~12h；用5~7mol/L的氢氧化钾溶液调节pH值至8，继续搅拌0.5~1h得到钒酸铟溶胶；将钒酸铟溶胶过滤并用蒸馏水洗涤3~5次，经60～100℃干燥4～12h，得到固体粉末；将固体粉末与氢氧化钾溶液混合后于150~180℃进行水热处理8~24h，得到钒酸铟前驱体，将钒酸铟前驱体用蒸馏水洗涤至洗涤液的pH值为7；
(2) 制备钒酸铟纳米颗粒
将洗涤后的钒酸铟前驱体经60～100℃干燥4～12h，最后在马弗炉中450~550oC条件下焙烧1~2h得到钒酸铟纳米颗粒。
本发明有益效果在于：采用水热法制备小尺寸钒酸铟纳米颗粒，其工艺独特、操作简便，易于大规模的工业化生产；表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的加入为制备均匀分布的钒酸铟纳米颗粒奠定了基础；通过氢氧化钾溶液的矿化作用，促进钒酸铟纳米颗粒的快速结晶，减小产物的颗粒尺寸，并能在一定程度上降低产物的焙烧温度，增大钒酸铟纳米颗粒的比表面积，得到具有较高光催化活性的钒酸铟功能材料，可进一步拓宽钒酸铟纳米材料的应用领域。
附图说明
图1是钒酸铟纳米颗粒的透射电镜图；
图2是钒酸铟纳米颗粒的紫外漫反射分析图。
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
将硝酸铟、偏钒酸铵和十六烷基三甲基溴化铵配置成浓度分别为0.5mol/L、1.0mol/L和0.01mol/L的溶液，搅拌条件下按铟：钒摩尔比1:1混合：然后按铟：钒：十六烷基三甲基溴化铵摩尔比为1:1:0.02的比例加入十六烷基三甲基溴化铵，继续搅拌10h；用5mol/L的氢氧化钾溶液调节pH值至8，继续搅拌0.5h得到钒酸铟溶胶；将钒酸铟溶胶过滤并用蒸馏水洗涤3次，在60℃干燥12h，得到固体粉末；将1g固体粉末与25g 10mol/L的氢氧化钾溶液混合，置于密闭的反应釜中，于150oC条件下水热处理24h，得到钒酸铟前驱体（水热处理是指利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法）。用蒸馏水超声洗涤钒酸铟前驱体至洗液pH值为7，60℃干燥12h，最后在马弗炉中450oC条件下焙烧2h得到钒酸铟纳米颗粒。
实施例2
将硝酸铟、偏钒酸铵和十六烷基三甲基溴化铵配置成浓度分别为0.8mol/L、1.5mol/L和0.03mol/L的溶液，搅拌条件下按铟：钒摩尔比1:1.5混合：然后按铟：钒：十六烷基三甲基溴化铵摩尔比为1:1.5:0.03的比例加入十六烷基三甲基溴化铵，继续搅拌11h；用6mol/L的氢氧化钾溶液调节pH值至8，继续搅拌0.8h得到钒酸铟溶胶；将钒酸铟溶胶过滤并用蒸馏水洗涤4次，在80℃干燥8h，得到固体粉末；将1g固体粉末与35g 11mol/L的氢氧化钾溶液混合，置于密闭的反应釜中，于160oC条件下水热处理12h，得到钒酸铟前驱体（水热处理是指利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法）。用蒸馏水超声洗涤钒酸铟前驱体至洗液pH值为7，80℃干燥8h，最后在马弗炉中500oC条件下焙烧1.5h得到钒酸铟纳米颗粒。
实施例3
将硝酸铟、偏钒酸铵和十六烷基三甲基溴化铵配置成浓度分别为1.0mol/L、2.0mol/L和0.05mol/L的溶液，搅拌条件下按铟：钒摩尔比1:2混合：然后按铟：钒：十六烷基三甲基溴化铵摩尔比为1:2:0.05的比例加入十六烷基三甲基溴化铵，继续搅拌12h；用7mol/L的氢氧化钾溶液调节pH值至8，继续搅拌1h得到钒酸铟溶胶；将钒酸铟溶胶过滤并用蒸馏水洗涤5次，在100℃干燥4h，得到固体粉末；将1g固体粉末与50g 12mol/L的氢氧化钾溶液混合，置于密闭的反应釜中，于180oC条件下水热处理8h，得到钒酸铟前驱体（水热处理是指利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法）。用蒸馏水超声洗涤钒酸铟前驱体至洗液pH值为7，100℃干燥4h，最后在马弗炉中550oC条件下焙烧1h得到钒酸铟纳米颗粒。
Claims (1)
1.一种制备钒酸铟纳米颗粒的方法，其特征包括以下步骤：
(1)将硝酸铟和偏钒酸铵配成溶液后混合，搅拌条件下加入表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵并继续搅拌10～12h，用5～7mol/L的氢氧化钾溶液调节混合溶液的pH值，搅拌0.5～1h得到钒酸铟溶胶；将钒酸铟溶胶过滤并用蒸馏水洗涤3～5次，经60～100℃干燥4～12h后得到固体粉末；上述硝酸铟、偏钒酸铵和十六烷基三甲基溴化铵溶液的配置浓度分别为0.5～1.0mol/L、1.0～2.0mol/L和0.01～0.05mol/L；硝酸铟：偏钒酸铵：十六烷基三甲基溴化铵摩尔比为1:(1～2):(0.02～0.05)，调节混合溶液的pH值为8；
(2)将固体粉末与氢氧化钾溶液混合后置于反应釜中进行水热处理，得到钒酸铟前驱体，将钒酸铟前驱体用蒸馏水洗涤至洗液的pH值为7；氢氧化钾溶液浓度为10～12mol/L，钒酸铟前驱体与氢氧化钾溶液的质量比为1:(25～50)，水热处理条件为：水热处理温度150～180℃，水热处理时间8～24h；
(3)将洗涤后的钒酸铟前驱体经60～100℃干燥4～12h，并置于马弗炉中焙烧，自然冷却至室温，得到钒酸铟纳米颗粒，马弗炉中焙烧温度450～550℃，焙烧时间1～2h。
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