[发明专利]一种三氧化二钒微纳颗粒及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米技术领域，具体而言，涉及一种微纳颗粒及其制备方法和应用。

背景技术

氧化钒纳米颗粒由于其独特的片层结构，优秀的光、电、磁等性质，在锂电池、气体传感以及催化领域有着非常出色的表现，受到了人们的广泛关注。氧化钒主要包括三种氧化物：五氧化二钒、二氧化钒和三氧化二钒。不同氧化钒根据性质不同应用在不同的领域。本专利由于只涉及到三氧化二钒，因此只对其进行简述。三氧化二钒作为传统的催化剂被人们所熟知。今年来，随着对其纳米结构的研究逐渐深入，其在传统的催化和新型的锂离子电池方面产生的优良性能被人们广泛关注。三氧化二钒是一种具有导体绝缘体相互转换性质的材料。具有这种性质的物质在一定温度下，其导电性能会有质的飞跃，即从导体转换为绝缘体或从绝缘体转换为导体，并且这一过程可逆。众所周知，纳米材料的性质和应用性能在很大程度上取决于其颗粒的形貌和尺寸。而颗粒的形貌和尺寸往往与合成方法和路径有着密切的联系。纳米片自组装形成的花状微纳颗粒，由于其具有三维的结构，能够提供更多的吸附位，从而与气体更好的相互接触，在催化领域有着出色表现。关于纳米片自组装的花状微纳颗粒，目前有一些报道。方法主要集中在以下两种：(1)将乙酰丙酮氧钒溶于20毫升乙醇中，后加入30毫升双氧水。将以上混合液放置在150℃高压釜中加热24小时。将得到的沉淀分离干燥后在400℃氮气下煅烧2小时，可得到该形貌三氧化二钒颗粒。(2)将偏钒酸铵溶于50毫升去离子水中，利用硝酸将体系pH值调至2，并在50℃下搅拌直至出现橙色沉淀。将20毫升甲醇加入以上溶液，室温下静置24小时。沉淀变成深橙色时将其分离洗涤。该深橙色沉淀即为花状形貌的五氧化二钒颗粒。之后，在一定温度下(如600℃)在还原性气氛下(如氢气等)煅烧该颗粒，可得到相似形貌的三氧化钒。另外一些方法合成的形貌与上述三氧化二钒颗粒有明显的差别，如海胆状三氧化二钒微米颗粒。

以上方法原料成本偏高，方法复杂，产物有废酸产生，不够绿色环保，不适合大规模生产，给后续使用带来巨大不便。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种微纳颗粒，所述微纳颗粒同时具有片层纳米结构和花状类球形花状微米结构。

本发明的第二目的在于提供一种所述微纳颗粒的制备方法，该方法操作简单、成本低廉、安全环保，可以大规模应用于实际生产中。

本发明的第三目的在于提供所述微纳颗粒的应用，所述微纳颗粒的应用范围广泛，适用于在新能源、催化及食品和医学领域。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明一个方面涉及一种微纳颗粒，所述微纳颗粒是三氧化二钒微纳颗粒，由纳米片自组装形成。

由纳米片组装形成的微纳颗粒具有微米级的宏观尺寸，同时，其表面积比普通的微纳颗粒大很多，因此其吸附面积很大。

优选地，所述微纳颗粒是花状微纳颗粒。

花状的微纳颗粒具有良好的催化和电学性能，其在锂电池和催化方面具有很好的潜在应用。

本发明的另一方面涉及所述的微纳颗粒的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)将五氧化二钒加入乙二醇中，搅拌，使其混合均匀，形成悬浮液A；

2)向悬浮液A加入碳酸氢钠溶液，形成悬浮液B；

加入碳酸钠溶液可以促使在后续反应中，片状的钒氧化合物通过自组装形成花状微纳颗粒。

3)加热悬浮液B，之后室温下静置冷却，得到含有黑色沉淀的前驱物；

加热悬浮液，使得五氧化二钒溶于乙二醇，并与之发生化学反应，生成片状产物。

4)将步骤3)所形成的含有所述前驱体的混合溶液离心分离，洗涤并烘干，得到纳米片自组装形成的花状氧化钒前驱物。

5)将步骤4)得到的前驱物在惰性气体气氛下煅烧，得到所述微纳颗粒。

在惰性气体中煅烧，可以避免钒氧化物与空气中的氧气接触从而被氧化，同时前驱物中在加热时释放的还原性气体可将颗粒中的高价钒离子还原，从而得到三氧化二钒微纳颗粒。

本发明的方法中，所使用的试剂均安全环保，且来源易得、成本低廉，本发明使用的方法条件温和。

优选地，所述步骤1)中的搅拌在50-70℃的水浴中进行，所述悬浮液A中所述五氧化二钒相对于乙二醇的摩尔浓度为0.075-0.3mM。

五氧化二钒的浓度过高会造成后续反应中形成的微纳颗粒过大，而其浓度过低时则会导致无法形成颗粒。

优选地，所述碳酸氢钠溶液的摩尔浓度为1-1.5M。