CN103466702B - 一种无模板制备多孔氧化铋纳米材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无模板制备多孔氧化铋纳米材料的方法。将硝酸铋、表面活性剂和氧源前驱体溶于多元醇溶剂中，置于高压反应釜中于150 oC反应3~12 h，所得产物经过离心洗涤去除残留溶剂和表面活性剂，最后干燥后即得到较大比表面积的多孔氧化铋纳米材料。本发明方法，设备简单，合成温度低；原料价格低廉，无需昂贵的模板剂；重复性好。获得的多孔氧化铋纳米材料，具有孔结构均一，比表面积大等优点。
Description
技术领域
本发明属于功能材料领域，涉及一种无模板制备多孔含铋纳米材料的方法。
背景技术
铋系材料由于其特殊的理化性质广泛应用于电子陶瓷材料、电解质材料、光电材料、传感器、微电子元件、高温超导材料、催化剂、铁电材料等各领域中，同时还用于化学试剂、铋盐、防火材料、高折光率玻璃、核工程玻璃制造和核反应堆燃料等领域。随着纳米技术的迅猛发展，多功能的纳米材料以其独特的性质在各个领域得到广泛应用。铋系纳米材料由于其独特的理化性质在半导体、催化以及生物医药等领域的应用已经引起了人们广泛的研究兴趣，其应用开发前景十分广阔。而多孔的含铋纳米材料，具有比表面积大、表面渗透能力以及较低的热膨胀系数和良好的折射率等特点。同时由于多孔结构具有紧密堆积且相互交错的网络结构和较大的内部表面积，显现出载流子的快速流动性和较好的光催化活性，内部的空心结构容易引起光的散射，加强光的吸收，增加了光生电子和光生空穴的数量，并且由于氧化铋自身表面所带的正电荷，能有效与阴离子污染物产生静电作用，达到吸附重金属污染物的效果。因此含多孔含铋纳米材料在工业催化（如光催化降解有机物）、环境治理（如重金属吸附处理）等领域中具有重要潜在应用价值。
氧化铋晶体内部存在着大量的氧空位，在不同温度下晶型会发生转变，尤其在纳米尺度下具有特殊的催化性能，使其在光催化降解染料、一氧化氮气体传感器、重金属离子吸附和废水处理等工业催化和环境治理方面均得到了广泛的研究。中国专利CN101748484B介绍了一种合成纳米氧化铋单晶片的方法，该方法合成出的氧化铋只具有一维的片状结构，不具有多孔结构，比表面积较小。中国专利CN101565204B和无机化学学报（Vol.26,No.10,1880-1884）均报道了一种合成多孔花状氧化铋材料的方法，但这些方法合成出的氧化铋尺寸较大（分别为10μm和5μm），孔径分布不均，且不属于纳米材料，不具有纳米尺寸的特殊的性能。以上报道的方法无法制备既是多孔又是纳米级别的氧化铋材料，不能发挥多孔纳米材料的特殊性能。因此含多孔含铋纳米材料的合成具有相当意义，在工业催化、环境治理等领域中具有重要潜在应用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种多孔氧化铋纳米材料的制备方法。该方法能获得较大比表面积、形貌均一的多孔氧化铋纳米材料，制备方法简易，、可操控性强。
本发明方法通过如下步骤实现：
将硝酸铋、表面活性剂和氧源前驱体溶于多元醇溶剂中，置于高压反应釜中于150℃反应3～12h，所得产物经过离心洗涤去除残留溶剂和表面活性剂，干燥后即得多孔氧化铋纳米材料；
所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、聚乙二醇（PEG）；
所述的氧源前驱体为尿素、氢氧化钠或一水合氨。
所述的多元醇溶剂为二甘醇（DEG）、乙二醇（EG）或三乙二醇（TEG）。
所述的硝酸铋用量为0.25～1mmol，表面活性剂用量为0.10～0.50g，氧前驱体用量为1～4mmol，溶剂用量为25～75mL。
所述的离心洗涤是用去离子水将产品充分超声分散，再经过离心（10000rpm）10min，移除上层清液。离心洗涤重复5次。
所述的干燥过程是将产物于60℃烘箱中干燥24h后再冷却。
采用该方法获得的多孔氧化铋纳米材料，比表面积达到了9.2～21.0m2/g。
在本方法中表面活性剂在形成多孔氧化铋纳米材料起到重要作用。加入Bi3+后，溶液中存在大量类似胶簇的结构，此时表面活性剂分子吸附在胶簇表面。由于表面活性剂的存在阻碍了Bi3+的进一步团簇，氧化铋晶核便以较小的单元形式进行生长。当众多小单元的晶核长大，形成一个完整的结构以后，经过去离子水洗涤可以去除表面活性剂。此时，表面活性剂脱落留下的空隙便形成了多孔状氧化铋纳米材料。本发明制备方法简易，设备简单，合成温度低；原料价格低廉，无需昂贵的模板剂；重复性好。
附图说明
图1为实施例1所得产物氧化铋的X射线衍射（XRD）图谱。
图2为实施例1所得产物氧化铋的扫描电镜（SEM）照片。
图3为实施例1所得产物氧化铋的透射电镜（TEM）照片。
图4为实施例2所得产物氧化铋的扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）照片。
图5为实施例3所得产物氧化铋的扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）照片。
图6为实施例4所得产物氧化铋的扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）照片。
图7为实施例4所得产物氧化铋的吸附／脱附等温线及孔分布曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步描述，本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围：
实施例1多孔氧化铋纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
取1mmol硝酸铋、0.50g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、4mmol尿素溶于75mL乙二醇（EG）溶液；再将反应溶液置于内衬为聚四氟乙烯的150mL不锈钢高压反应釜中，在150℃温度下反应3h；经过离心洗涤去除残留溶剂和表面活性剂，将产物于60℃干燥24h，冷却后的样品即为多孔氧化铋纳米材料。该样品的比表面积为9.2m2/g。
图1是采用Bruker axs D8型X射线衍射分析仪所得到的样品XRD图谱。从图谱可以看出，图谱的主峰与氧化铋标准图谱（JCPDS76-2478）一致，说明所得产品为高纯度的氧化铋。图谱有较明显的宽化现象，说明样品是由很小的氧化铋颗粒所组成。
图2是采用Hitachi S4800型扫描电子显微镜所观察到的样品SEM图。从图中可以看出，所合成的样品是直径约为150nm的球形纳米氧化铋，且形貌均一，尺寸分布较窄。
图3是采用Philips Tecnai G2型透射电子显微镜所观察到的样品TEM图。从图中可以看出，所合成的球形氧化铋纳米材料不是实心的，而是由许多小颗粒所组成的多孔状材料，且小颗粒大小均一，孔径分布均匀。
实施例2多孔氧化铋纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
取0.25mmol硝酸铋、0.10g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、1mmol氢氧化钠溶于25mL二甘醇（DEG）溶液；再将反应溶液置于内衬为聚四氟乙烯的50mL不锈钢高压反应釜中，在150℃温度下反应12h；经过离心洗涤去除残留溶剂和表面活性剂，将产物于60℃干燥24h，冷却后的样品即为多孔氧化铋纳米材料。该样品的比表面积为13.2m2/g。
图4是采用Hitachi S4800型扫描电子显微镜所观察到的样品SEM图和Philips Tecnai G2型透射电子显微镜所观察到的样品TEM图。从图中可以看出，所合成的样品是直径约为180nm的球形纳米氧化铋，且形貌均一，尺寸分布较窄。球形氧化铋纳米材料不是实心的，而是由许多小颗粒所组成的多孔状材料，且小颗粒大小均一，孔径分布均匀。
实施例3多孔氧化铋纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
取0.5mmol硝酸铋、0.25g聚乙二醇（PEG）、1.5mmol氢氧化钠溶于50mL三乙二醇（TEG）溶液；再将反应溶液置于内衬为聚四氟乙烯的50mL不锈钢高压反应釜中，在150℃温度下反应3h；经过离心洗涤去除残留溶剂和表面活性剂，将产物于60℃干燥24h，冷却后的样品即为多孔氧化铋纳米材料。该样品的比表面积为18.7m2/g。
图5是采用Hitachi S4800型扫描电子显微镜所观察到的样品SEM图和Philips Tecnai G2型透射电子显微镜所观察到的样品TEM图。从图中可以看出，所合成的样品是直径约为160nm的球形纳米氧化铋，且形貌均一，尺寸分布较窄。球形氧化铋纳米材料不是实心的，而是由许多小颗粒所组成的多孔状材料，且小颗粒大小均一，孔径分布均匀。
实施例4多孔氧化铋纳米材料的制备方法，包括如下步骤：
取0.8mmol硝酸铋、0.36g十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、2.5mmol一水合氨溶于65mL乙二醇（EG）溶液；再将反应溶液置于内衬为聚四氟乙烯的100mL不锈钢高压反应釜中，在150℃温度下反应8h；经过离心洗涤去除残留溶剂和表面活性剂，将产物于60℃干燥24h，冷却后的样品即为多孔氧化铋纳米材料。该样品的比表面积为21.0m2/g。
图6是采用Hitachi S4800型扫描电子显微镜所观察到的样品SEM图和Philips Tecnai G2型透射电子显微镜所观察到的样品TEM图。从图中可以看出，所合成的样品是直径约为120nm的球形纳米氧化铋，且形貌均一，尺寸分布较窄。球形氧化铋纳米材料不是实心的，而是由许多小颗粒所组成的多孔状材料，且小颗粒大小均一，孔径分布均匀。
图7是采用Micromeritics ASAP2020型比表面积分析仪所得到的产物的吸附/脱附等温线及孔分布曲线，根据N2吸附计算，所得样品的比表面积为21.0m2/g，而根据孔径分布曲线可以得到样品的孔径大小约为30nm。
Claims (5)
1.一种制备多孔氧化铋纳米材料的方法，其特征在于，将硝酸铋、表面活性剂和氧源前驱体溶于多元醇溶剂中，置于高压反应釜中于150 oC反应3~12 h，所得产物经过离心洗涤去除残留溶剂和表面活性剂，干燥后即得多孔氧化铋纳米材料；
所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵或聚乙二醇；
所述的氧源前驱体为尿素、氢氧化钠或一水合氨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多元醇溶剂为二甘醇、乙二醇或三乙二醇。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的硝酸铋用量为0.25~1 mmol，表面活性剂用量为0.10~0.50 g，氧源前驱体用量为1~4 mmol，多元醇用量为25~75 mL。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的离心洗涤是用去离子水将产品超声分散，再经过10000 rpm离心10 min，移除上层清液。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的干燥过程是将产物于60 oC烘箱中干燥24 h后再冷却。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得的多孔氧化铋纳米材料，比表面积达到9.2~21.0 m2/g。
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