[发明专利]暴露高能晶面纳米片自组装的三维网络结构α‑Fe2O3的制备方法

说明书

技术领域

本发明属三维网络结构半导体光电子材料技术领域，具体涉及一种溶液快速热反应法一步得到暴露晶面纳米片自组装的三维网络结构α-Fe₂O₃的制备方法。

背景技术

众所周知，材料的物理化学性能强烈地依赖于其尺寸和形貌。最近，人们发现半导体纳米材料的光催化和化学传感性能与其暴露的晶面密切相关。因此，具有活性面半导体纳米材料的制备具有非常重要的科学意义和巨大的应用价值[Account.Chem.Research.2014,47:308-318]。由于高反应活性面通常是高能晶面，其生长速度一般较快，不易暴露出来，纳米材料通常所暴露的晶面是那些表面能较低、生长速度较慢的晶面。暴露高活性晶面半导体纳米材料的制备是极具挑战性的问题。

α-Fe₂O₃属于六方晶系的刚玉型结构，是一种重要的n型半导体材料，其禁带宽度约为2.2eV。由于其独特的磁学、光学和电学性质，α-Fe₂O₃广泛应用于磁学、气敏传感、光催化、吸附及锂离子电池等领域。近年来，人们采用水热和溶剂热法制备出了暴露{104}晶面的菱形六面体α-Fe₂O₃[RSC Adv.,2012,2:6178-6184]，暴露{012}、{014}和{210}晶面的纳米立方体α-Fe₂O₃[Nanoscale.,2011,3:718-724]，暴露{100}和{115}晶面的空心六棱柱α-Fe₂O₃[Nanoscale.,2015,7:9416-9420]，暴露{210}和{115}晶面的叉型结构α-Fe₂O₃[ACS Appl.Mater.Inter.,2012,4:5698-5703]，暴露{113}晶面的双锥结构α-Fe₂O₃[ACS Appl.Mater.Inter.,2014,6:12505-12514]。这些活性晶面的暴露通常认为是甲酰胺、十二烷基磺酸钠、NaF和油酸选择性吸附剂吸附在高能晶面，降低其表面能和生长速度，从而实现高活性晶面的暴露，然而这些分子或离子往往占据高活性晶面的活性位，在一定程度上削弱了高活性晶面反应活性[J.Am.Chem.Soc.,2009,131:4078-4083]。因此，暴露清洁的没有吸附剂高活性晶面半导体纳米材料的制备是极具挑战性的问题。

三维(3D)泡沫结构具有完美的分级结构、大的比表面积和宏观的大尺寸，由于其具有较小的比重、高的孔隙率、机械稳定性强、导电性好等特点，被广泛应用于 储能[ACS Nano.,2010,4:4324-4330]、吸附[Chem.Eng.J.,2014,239:141-148]、光催化[Appl.Catal.B:Environ.,2014,144:83-89]、传感[Sens.Actuators B:Chem.,2016,223:650-657]等领域。目前人们已制备出了α-Fe₂O₃海胆状结构[Sens.Actuators B:Chem.,2009,141:381-389)]、花状结构[Cryst.Eng.Comm.,2011,13:806-812]、三维有序大孔结构[化学学报.,2009,17:1957-1961]、纳米片阵列结构[Energy Environ.Sci.,2014,7:3651-3658]和多孔刺状结构[Dalton Trans.,2015,44:9581-9587]。然而，暴露活性晶面纳米结构单元组装的复杂分级结构α-Fe₂O₃至今未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种操作简单、能耗低、反应周期短、暴露晶面纳米片自组装的三维网络结构α-Fe₂O₃的制备方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：将Fe(NO₃)₃·9H₂O、聚乙烯吡咯烷酮、去离子水按质量比为1:0.2～1:3～7混合均匀，将所得混合液铺展到清洗干净的硅片表面，在空气气氛中350～700℃保温5～15分钟，自然冷却至常温，得到暴露 晶面纳米片自组装的三维网络结构α-Fe₂O₃。