暴露高能晶面納米片自組裝的三維網絡結構α?Fe₂O₃的制備方法

暴露高能晶面納米片自組裝的三維網絡結構α?Fe₂O₃的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種暴露晶面納米片自組裝的三維網絡結構α?Fe2O3的制備方法，該方法以聚乙烯吡咯烷酮為吸附劑和燃料，采用簡單的溶液快速熱反應法，一步反應即可得到暴露晶面的由納米片自組裝而成的三維網絡結構的α?Fe2O3。本發明方法簡單易行，成本低廉，生產周期短，產率高，重復性和一致性好，所制備的α?Fe2O3結晶性好，且是由暴露清潔的沒有吸附劑的高活性晶面納米片自組裝而成的三維網絡結構，納米片的厚度約為30nm，在氣敏傳感器、吸附、光催化和鋰離子電池等領域具有較好的應用前景和經濟效益。
【專利說明】
暴露高能晶面納米片自組裝的三維網絡結構a-Fe203的制備 方法
技術領域
[0001] 本發明屬三維網絡結構半導體光電子材料技術領域，具體涉及一種溶液快速熱反 應法一步得到暴露彳丨14丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a-Fe2〇3的制備方法。
【背景技術】
[0002] 眾所周知，材料的物理化學性能強烈地依賴于其尺寸和形貌。最近，人們發現半導 體納米材料的光催化和化學傳感性能與其暴露的晶面密切相關。因此，具有活性面半導體 納米材料的制備具有非常重要的科學意義和巨大的應用價值[Account. Chem. Research. 20 14,47:308-318]。由于高反應活性面通常是高能晶面，其生長速度一般較快，不易暴露出 來，納米材料通常所暴露的晶面是那些表面能較低、生長速度較慢的晶面。暴露高活性晶面 半導體納米材料的制備是極具挑戰性的問題。
[0003] a-Fe203屬于六方晶系的剛玉型結構，是一種重要的η型半導體材料，其禁帶寬度約 為2.2eV。由于其獨特的磁學、光學和電學性質，a-Fe 203廣泛應用于磁學、氣敏傳感、光催化、 吸附及鋰離子電池等領域。近年來，人們采用水熱和溶劑熱法制備出了暴露{104}晶面的菱 形六面體a-Fe2〇 3[RSC Adv. ,2012,2:6178-6184]，暴露{012}、{014}和{210}晶面的納米立 方體a-Fe2〇3[Nanoscale. ,2011,3:718-724]，暴露{100}和{115}晶面的空心六棱柱a-Fe2〇3 [Nanoscale· ,2015,7:9416-9420]，暴露{210}和{115}晶面的叉型結構 a-Fe2〇3 [ACS Appl .Mater. Inter. ,2012,4:5698-5703]，暴露{113}晶面的雙錐結構 a-Fe2〇3 [ACS Appl.Mater. Inter. ,2014,6:12505-12514]。這些活性晶面的暴露通常認為是甲酰胺、十二 烷基磺酸鈉、NaF和油酸選擇性吸附劑吸附在高能晶面，降低其表面能和生長速度，從而實 現高活性晶面的暴露，然而這些分子或離子往往占據高活性晶面的活性位，在一定程度上 削弱了高活性晶面反應活性[J. Am. Chem. Soc .，2009，131:4078-4083]。因此，暴露清潔的沒 有吸附劑高活性晶面半導體納米材料的制備是極具挑戰性的問題。
[0004] 三維（3D)泡沫結構具有完美的分級結構、大的比表面積和宏觀的大尺寸，由于其 具有較小的比重、高的孔隙率、機械穩定性強、導電性好等特點，被廣泛應用于儲能[ACS Nano. ,2010,4:4324-4330]、吸附[Chem .Eng. J. ,2014,239: 14卜148]、光催化 [Appl ·Catal ·Β:Environ·，2014，144:83-89]、傳感[Sens .Actuators B: Chem.，2016，223: 650-657]等領域。目前人們已制備出了a-Fe2〇3海膽狀結構[Sens.Actuators B:Chem.， 2009,141:381-389)]、花狀結構[Cryst.Eng.Comm. ,2011,13:806-812]、三維有序大孔結構 [化學學報·，2009，17:1957-1961 ]、納米片陣列結構[Energy Environ · Sci ·，2014，7:3651-3658]和多孔刺狀結構[Dalton Trans.，2015，44:9581-9587]。然而，暴露活性晶面納米結 構單元組裝的復雜分級結構a-Fe2〇3至今未見報道。

【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的技術問題在于提供一種操作簡單、能耗低、反應周期短、暴露 丨114丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a-Fe2〇3的制備方法。
[0006] 解決上述技術問題所采用的技術方案是：將Fe(N〇3)3 · 9H20、聚乙烯吡咯烷酮、去 離子水按質量比為1: 〇. 2~1:3~7混合均勻，將所得混合液鋪展到清洗干凈的硅片表面，在 空氣氣氛中350~700°C保溫5~15分鐘，自然冷卻至常溫，得到暴露丨1丨4丨晶面納米片自組 裝的三維網絡結構a-Fe203。
[0007] 上述制備方法中，優選Fe(N〇3)3 · 9H20、聚乙烯吡咯烷酮、去離子水的質量比為1: 0.5: 5〇
[0008] 上述制備方法中，進一步優選在空氣氣氛中650°C保溫10分鐘。
[0009] 本發明以聚乙烯吡咯烷酮為吸附劑和燃料，采用簡單的溶液快速熱反應法，一步 反應即可得到暴露丨丨14丨晶面納米片自組裝而成的三維網絡結構的a-Fe2〇3。本發明方法簡 單易行，成本低廉，生產周期短，產率高，重復性和一致性好，聚乙烯吡咯烷酮在高溫下可完 全分解成二氧化碳和水，不會有機物的吸附存在，因此，所制備a_Fe203結晶性好，且是由暴 露清潔的沒有吸附劑的高活性晶面納米片自組裝而成的三維網絡結構，納米片的厚度約為 30nm，在氣敏傳感器、吸附、光催化和鋰離子電池等領域具有較好的應用前景和經濟效益。
【附圖說明】
[0010] 圖1是實施例1制備的三維網絡結構a-Fe2〇3的XRD圖。
[0011] 圖2是實施例1制備的三維網絡結構a-Fe203的掃描電鏡照片。
[0012] 圖3是圖2的局部放大圖。
[0013]圖4是實施例1制備的三維網絡結構a-Fe2〇3的場發射掃描電鏡照片。
[0014] 圖5是實施例1中a-Fe2〇3納米片的透射電子顯微鏡照片。
[0015] 圖6是圖5中a-Fe203納米片的選區高分辯透射電子顯微鏡照片。
[0016] 圖7是圖5中a-Fe2〇3納米片的選區電子衍射圖。
[0017]圖8是實施例1制備的三維網絡結構a-Fe203的氮氣脫附-吸附等溫線圖。
[0018]圖9是實施例1制備的三維網絡結構a-Fe2〇3的孔徑分布圖。
[0019]圖10是實施例2制備三維網絡結構的a-Fe203的掃描電鏡照片。
[0020] 圖11是實施例3制備的三維網絡結構a-Fe203的掃描電鏡照片。
[0021] 圖12是實施例4制備的三維網絡結構a-Fe2〇3的掃描電鏡照片。
[0022]圖13是實施例5制備的三維網絡結構a-Fe203的掃描電鏡照片。
[0023]圖14是實施例6制備的三維網絡結構a-Fe203的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明的保護范圍不僅限于 這些實施例。
[0025] 實施例1
[0026]將硅片裁成l.OcmX 1.0cm的矩形片，依次用去離子水、無水乙醇分別超聲清洗15 分鐘，吹干得到清洗干凈的硅片，備用；將lg Fe(N〇3)3 · 9H20、0.5g聚乙烯吡咯烷酮加入到 5g去離子水中，混合均勻，然后將所得混合液鋪展到清洗干凈的硅片表面，再將硅片迅速置 于管式爐中，在空氣氣氛中650°C保溫10分鐘，然后迅速推出，自然冷卻至常溫，得到暴露 {1 14丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a_Fe2〇3。
[0027]由圖1可見，所制備的產物為六方相結構單晶Fe203。由圖2和圖3可見，所得a-Fe 203 呈納米片自組裝而成的三維網絡結構。由圖4可知，納米片的厚度約為30nm。由圖5~7可知， 該納米片暴露彳丨14丨晶面，由此可知三維網絡結構a-Fe203是由暴露丨Π4丨晶面納米片自組 裝而成。由圖8和圖9可知，三維網絡結構a-Fe203的氮氣吸脫附等溫曲線符合第IV類吸附等 溫曲線，比表面積為16.75m2/g，孔徑分布在40nm左右。
[0028] 實施例2
[0029] 本實施例中，加入0.2g聚乙烯吡咯烷酮，其他步驟與實施例1相同，得到暴露p 14f 晶面納米片自組裝的三維網絡結構a-Fe203(見圖10)。
[0030] 實施例3
[0031] 本實施例中，加入lg聚乙烯吡咯烷酮，其他步驟與實施例1相同，得到暴露彳114f 晶面納米片自組裝的三維網絡結構a-Fe2〇3(見圖11)。
[0032] 實施例4
[0033] 本實施例中，在空氣氣氛中350°C保溫10分鐘，其他步驟與實施例1相同，得到暴露 {1丨4丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a_Fe 203(見圖12)。
[0034] 實施例5
[0035]本實施例中，在空氣氣氛中450°C保溫10分鐘，其他步驟與實施例1相同，得到暴露 11 14丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a-Fe2〇3(見圖13)。
[0036] 實施例6
[0037]本實施例中，在空氣氣氛中550°C保溫10分鐘，其他步驟與實施例1相同，得到暴露 {1 14丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a-Fe2〇3(見圖14)。
【主權項】
1. 一種暴露P14丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a-Fe203制備方法，其特征在于:將 Fe (N03)3 ? 9H20、聚乙烯吡咯烷酮、去離子水按質量比為1:0.2~1:3~7混合均勻，將所得混 合液鋪展到清洗干凈的硅片表面，在空氣氣氛中350~700°C保溫5~15分鐘，自然冷卻至常 溫，得到暴露fl I#晶面納米片自組裝的三維網絡結構a_Fe203。2. 根據權利要求1所述的暴豁丨114丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a_Fe203的制備 方法，其特征在于:所述Fe (N03)3 ? 9H20、聚乙烯吡咯烷酮、去離子水的質量比為1:0.5:5。3. 根據權利要求1或2所述的暴露彳1丨4丨晶面納米片自組裝的三維網絡結構a_Fe203的制 備方法，其特征在于:在空氣氣氛中650 °C保溫10分鐘。
【文檔編號】B82Y30/00GK106044863SQ201610373078
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月30日
【發明人】楊合情, 馬勇, 袁煜昆, 石倩, 張芳娟, 裴翠錦
【申請人】陜西師范大學