[发明专利]一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于过渡金属氧化物纳米材料的技术领域；具体涉及一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法。

背景技术

由于超薄二维(2D)纳米结构具有巨大的比表面积、机械的灵活性、光学透明、特殊的能带结构和稳定的理化性质等特点，使得其在催化、传感、光伏和电化学等领域已成为近年来国内外争相研究的热点。在绿色化学和可持续发展已经成为全球共识的今天，非贵金属催化剂，尤其是过渡金属氧化物基催化剂，越来越受到学术界和产业界的重视，该类材料地壳储量丰富，价格低廉且催化性能理想，是一种对传统金属基催化剂的理想替代选择。尽管长期以来关于过渡金属氧化物功能材料的研究工作有很多，但到目前为止，其主要的获得形式仍为零维的纳米点和细纳米粒子、一维的纳米线和纳米管以及三维的介孔结构和纳米团簇。相比之下，二维过渡金属纳米材料，特别是那种具有超薄厚度、大面积、独立支撑结构的材料，却是极度稀缺的。目前制备二维过渡金属纳米材料的方法主要是通过将具有层状结构过渡金属氧化物或氢氧化物体相材料进行机械剥离而得到的。令人遗憾地是只有少数的过渡金属氧化物或氢氧化物三维体相材料是具有二维层状弱作用堆叠结构的，并且可以通过剥离来制备二维过渡金属氧化物。此外，剥离法效率很低，产物厚度难控制，显然无法用来实现大规模制备高质量的二维过渡金属氧化物纳米片。因此必须探索新的制备策略，建立适用范围宽的方法来实现过渡金属氧化物纳米片的可控合成，以满足传感、催化、能源存储和电子设备等相关领域对二维金属氧化物日益增长的需求。随着人们对过渡金属氧化物材料研究的不断深入，已有一些过渡金属氧化物纳米片的制备方法被报道出来，例如Ziqi Sun等采用普朗尼克P123和乌洛托品在溶液中对钴离子进行组装，静置24h后，将反应液转入反应釜中在170℃条件下高压反应2h，产品经水洗、乙醇洗、150～400℃条件下脱水处理2h，最终制得TiO₂、ZnO和Co₃O₄等金属氧化物纳米片(Nature Communications,2014,5,3812)，所得纳米片尺寸小，无明显粒子结构，但该方法需要多步反应，涉及高温高压溶剂热等操作，涉及药品试剂多，成本高，产率低且反应时间长，难以大规模生产；Sakae Takenaka等人在无水条件下将氧化石墨分别与几种金属醇盐(Ti(OC₄H₉)₄,Zr(OC₄H₉)₄,Nb(OC₄H₉)₅,Sn(OC₄H₉)₄和Ta((OC₄H₉)₅)加入到环己烷中，搅拌几天以上(氧化石墨难于分散在非极性溶剂中)，然后在反应釜中180℃高压反应6h，离心干燥后，再在450℃条件下煅烧2h，即制得金属氧化物纳米片(J.Phys.Chem.C 2015,119,12445)。该方法使用易水解的金属醇盐为原料(只有少数几种过渡金属可以生成较稳定的金属醇盐)，适用范围窄，同样需要多步反应，涉及复杂的无水操作和高温高压溶剂热等过程，成本高，产率低且反应时间长，难以大规模生产。

尽管近年来过渡金属氧化物纳米片的制备方法受需求的强烈驱动得到了一定程度的发展，并取得了很多有意义的结果，但是目前的制备技术仍存在诸多问题，如制备方法受原料来源限制，适用范围窄，制备过程步骤繁多，涉及复杂操作如高温高压溶剂热等，产率低且反应时间长，难以大规模生产，此外，制得的过渡金属氧化物纳米片形态、厚薄不易控，有些不是粒子组成，有的粒子较大且分布不均匀。因此，寻求简便、高效且可控的过渡金属氧化物纳米片(尤其是由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片)的制备方法仍是目前亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明要解决现有制备过渡金属氧化物纳米片的方法存在的适用范围窄、工艺复杂、粒子较大、尺寸不均匀以及无法大规模合成的技术问题，提供一种由过渡金属氧化物纳米粒子构成的纳米片及其制备方法。