一種多孔中空的鐵酸鉍納米纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)納米纖維材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種多孔中空的鐵酸鉍納米纖維的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鈣鈦礦型鐵酸鉍(BiFe03)是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種在室溫下同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性的單相多鐵氧化物而備受關(guān)注。而且，相對(duì)于其它單相多鐵材料而言，81?^3具有遠(yuǎn)高于室溫的居里溫度Tc (約820-850°C和尼爾溫度TN (約370°C )和較高的居里溫度Tc (約820-850°C ) ο理論計(jì)算還表明菱方相BiFe03*有著很大的自發(fā)極化，約90 μ C/cm2。此外，BiFe03禁帶寬度為2.2-2.5eV，是一種窄帶隙直接半導(dǎo)體，其帶隙在可見(jiàn)光區(qū)，可充分吸收太陽(yáng)光。因而B(niǎo)iFe03納米結(jié)構(gòu)不僅在信息存儲(chǔ)、自旋電子器件、傳感器等方面有著潛在應(yīng)用，同時(shí)也是很好的光電極和光催化材料。
[0003]光催化劑的光催化活性和它的形貌和結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。在各種形貌中，一維多孔中空的納米纖維結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)于其他形貌的顯著特點(diǎn)，比如(1)高的比表面積使得它能夠吸附大量的化學(xué)物質(zhì)，這有利于在其表面進(jìn)行必須的化學(xué)反應(yīng)(2)中空的多孔道結(jié)構(gòu)使得它更方便的進(jìn)行物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，(3)能夠通過(guò)中空的空間對(duì)光進(jìn)行多次反射從而很好的利用光能。
[0004]靜電紡絲技術(shù)基于溶膠凝膠，利用高壓靜電場(chǎng)形成的庫(kù)侖力對(duì)紡絲液進(jìn)行拉伸和噴射，從而被拉伸的紡絲液在空氣中迅速干化形成納米纖維。靜電紡絲方法設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)靈活、適用材料范圍廣，制得的纖維連續(xù)、長(zhǎng)徑比大、直徑可控、產(chǎn)量高，因此在制備微納米纖維領(lǐng)域有著優(yōu)異的發(fā)展前景。靜電紡絲作為制備超長(zhǎng)納米級(jí)纖維的有效方法，已被成功地用于制備聚合物高分子納米纖維、無(wú)機(jī)納米纖維和復(fù)合納米纖維等。用該技術(shù)制備的超長(zhǎng)的一維納米結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的纖維網(wǎng)氈結(jié)構(gòu)，有利于構(gòu)建同時(shí)具有高比表面積、高分散性、立體通道等特性的三維開(kāi)放微納結(jié)構(gòu)材料體系，這種結(jié)構(gòu)既有利于提高光催化效率又易于分離和重復(fù)使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種多孔中空的鐵酸鉍納米纖維的制備方法，結(jié)合溶膠凝膠法，采用先進(jìn)的高壓靜電紡絲設(shè)備，制備出尺寸均一、具有極高長(zhǎng)徑比的納米纖維。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種多孔中空的鐵酸鉍納米纖維的制備方法，包括以下步驟:
[0007](1)將4.05X10 mol的五水合硝酸鉍Bi (Ν03)3.5Η20，4X 10 mol的九水合硝酸鐵Fe (N03)3.9H20，8X10 3mol的一水合檸檬酸C6H807.H20溶于5ml冰醋酸中，磁力攪拌3小時(shí)至澄清，得到溶液1。稱取0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于3ml乙二醇單甲醚和2mlN-N 二甲基甲酰胺混合溶液中，磁力攪拌3小時(shí)至澄清，得到溶液2。將溶液1和2混合，攪拌3小時(shí)后靜置12小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液。
[0008](2)利用滾筒收集的靜電紡絲裝置，將步驟1得到的前驅(qū)體溶液制成鐵酸鉍納米纖維，噴絲頭與滾筒的距離為15cm，供料速度為0.6ml/h，紡絲電壓為5_10kV。
[0009](3)將步驟2得到的鐵酸鉍納米纖維放入管式爐中，以10°C /m的升溫速率升溫至熱處理溫度550°C，保溫2h后退火，形成多孔中空的鐵酸鉍納米纖維。
[0010]進(jìn)一步地，步驟(2)中所述的供料速度為0.6ml/h。
[0011]進(jìn)一步地，步驟(3)中所述的熱處理溫度為550°C。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的基于溶膠凝膠的靜電紡絲法，通過(guò)控制熱處理溫度和精細(xì)調(diào)控電紡供料速度，制備了純度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的具有一維晶體結(jié)構(gòu)的多孔中空的鐵酸鉍納米纖維。該鐵酸鉍納米纖維在光催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明的靜電紡絲方法設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，纖維直徑可控均一，可規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為實(shí)施例1不同熱處理溫度制備的鐵酸鉍納米纖維的X射線衍射(XRD)圖譜。熱處理溫度為 500 °C，550 °C，600 °C，650 °C。
[0014]圖2為實(shí)施例1不同熱處理溫度制備的鐵酸鉍納米纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)圖譜。其中，a 為 500°C，b 為 550°C，c 為 600°C，d 為 650°C。
[0015]圖3為實(shí)施例2不同供料速度制備的鐵酸鉍納米纖維的掃描電子顯微鏡(SEM)圖譜。其中，a 為 0.5ml/h，b 為 0.6ml/h，c 為 0.7ml/h。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]實(shí)例1:本實(shí)施例采用不同熱處理溫度的燒結(jié)工藝制備中空多孔的鐵酸鉍納米纖維。熱處理溫度分別為500°C，550°C，600°C。
[0018](1)將4.05X10 mol的五水合硝酸鉍Bi (Ν03)3.5Η20，4X 10 mol的九水合硝酸鐵Fe (N03)3.9H20，8X10 3mol的一水合檸檬酸C6H807.H20溶于5ml冰醋酸中，磁力攪拌3小時(shí)至澄清，得到溶液1。稱取0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于3ml乙二醇單甲醚和2mlN-N 二甲基甲酰胺混合溶液中，磁力攪拌3小時(shí)至澄清，得到溶液2。將溶液1和2混合，攪拌3小時(shí)后靜置12小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液。
[0019](2)利用滾筒收集的靜電紡絲裝置，將步驟1得到的前驅(qū)體溶液制成鐵酸鉍納米纖維，噴絲頭與滾筒的距離為15cm，供料速度為0.6ml/h，紡絲電壓為5_10kV。
[0020](3)將步驟2得到的鐵酸鉍納米纖維放入管式爐中，以10°C /m的升溫速率升溫至熱處理溫度，保溫2h后退火，形成多孔中空的鐵酸鉍納米纖維。
[0021]不同熱處理溫度的燒結(jié)工藝制備的中空多孔的鐵酸鉍納米纖維的XRD分析圖譜如圖1所不。由圖中可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度為500 C時(shí)，出現(xiàn)了 Bi203雜相(如圖1中前頭所示)，考慮是由于Bi過(guò)量5%，500°C時(shí)Bi揮發(fā)不強(qiáng)烈，導(dǎo)致富Bi相的產(chǎn)生。當(dāng)燒結(jié)溫度為550和600°C時(shí)，鐵酸鉍的相較純，無(wú)明顯的雜相。當(dāng)燒結(jié)溫度進(jìn)一步增大到650°C，又開(kāi)始出現(xiàn)雜相(如圖1中箭頭所示)，雜相為Bi25Fe04。。因此，為了得到較純的鐵酸鉍，燒結(jié)溫度應(yīng)該為550°C或者600 °C。
[0022]不同熱處理溫度的燒結(jié)工藝制備的中空多孔的鐵酸鉍納米纖維的SEM分析圖譜如圖2所示。由圖中可以看出，當(dāng)燒結(jié)溫度為500和550°C時(shí)，纖維的表面較為多孔疏松，管的中心也為理想的中空結(jié)構(gòu)。當(dāng)燒結(jié)溫度上升至600和650°C，纖維的結(jié)晶性增強(qiáng)，因此纖維的表面密實(shí)，疏松度減小，纖維為實(shí)心。
[0023]結(jié)合不同熱處理溫度的燒結(jié)工藝制備的中空多孔的鐵酸鉍納米纖維XRD和SEM分析結(jié)果得出結(jié)論:550°C熱處理2小時(shí)是得到純相、多孔疏松中空的鐵酸鉍納米纖維的最佳溫度。
[0024]實(shí)例2:本實(shí)施例采用電紡過(guò)程中的不同供料速度制備多孔中空的鐵酸鉍納米纖維。供料速度分別為 0.5ml/h，0.6ml/h，0.7ml/h。
[0025](1)將4.05X 10 3mol的五水合硝酸鉍Bi (N03)3.5Η20，4X 10 3mol的九水合硝酸鐵Fe (N03)3.9H20，8X10 3mol的一水合檸檬酸C6H807.H20溶于5ml冰醋酸中，磁力攪拌3小時(shí)至澄清，得到溶液1。稱取0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于3ml乙二醇單甲醚和2mlN-N 二甲基甲酰胺混合溶液中，磁力攪拌3小時(shí)至澄清，得到溶液2。將溶液1和2混合，攪拌3小時(shí)后靜置12小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液。
[0026](2)利用滾筒收集的靜電紡絲裝置，將步驟1得到的前驅(qū)體溶液制成鐵酸鉍納米纖維，噴絲頭與滾筒的距離為15cm，紡絲電壓為5-10kV。
[0027](3)將步驟2得到的鐵酸鉍納米纖維放入管式爐中，以10°C /m的升溫速率升溫至熱處理溫度550°C，保溫2h后退火，形成多孔中空的鐵酸鉍納米纖維。
[0028]不同供料速度得到的納米纖維的SEM圖譜如圖3所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)供料速度為0.5ml/h時(shí)，制備得到的纖維直徑較細(xì)，導(dǎo)致中空結(jié)構(gòu)較難生成(圖3a)。當(dāng)供料速度為
0.7ml/h時(shí)，收集得到的電紡纖維密度很大，由于溶劑來(lái)不及揮發(fā)，使得纖維發(fā)生了重溶，彼此交聯(lián)，無(wú)法形成直徑均一的纖維結(jié)構(gòu)(圖3c)。而0.6ml/h的供料速度較為適中，形成的纖維直徑均一，且均能形成中空結(jié)構(gòu)，因此是形成多孔疏松中空的鐵酸鉍納米纖維的最佳供料速度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多孔中空的鐵酸鉍納米纖維的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)將4.05X 10 3mol的五水合硝酸鉍Bi (Ν03)3.5H20，4X 10 3mol的九水合硝酸鐵Fe (N03)3.9H20，8X10 3mol的一水合檸檬酸C6H807.H20溶于5ml冰醋酸中，磁力攪拌3小時(shí)至澄清，得到溶液1。稱取0.5g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于3ml乙二醇單甲醚和2mlN-N 二甲基甲酰胺混合溶液中，磁力攪拌3小時(shí)至澄清，得到溶液2。將溶液1和2混合，攪拌3小時(shí)后靜置12小時(shí)，得到前驅(qū)體溶液。 (2)利用滾筒收集的靜電紡絲裝置，將步驟1得到的前驅(qū)體溶液制成鐵酸鉍納米纖維，噴絲頭與滾筒的距離為15cm，紡絲電壓為5-10kV。 (3)將步驟2得到的鐵酸鉍納米纖維放入管式爐中，以10°C/m的升溫速率升溫至熱處理溫度，保溫2h后退火，形成多孔中空的鐵酸鉍納米纖維。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵酸鉍納米纖維制備方法，其特征在于:步驟⑵中所述的供料速度為0.6ml/h03.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵酸鉍納米纖維制備方法，其特征在于:步驟⑶中所述的熱處理溫度為550°C。
【專利摘要】本發(fā)明涉及納米材料制備研究領(lǐng)域，具體涉及一種多孔中空的鐵酸鉍納米纖維的制備方法。本發(fā)明采用的是溶膠凝膠、靜電紡絲和熱處理燒結(jié)相結(jié)合的制備方法。采用靜電紡絲法制備，制得的鐵酸鉍纖維具有一維晶體結(jié)構(gòu)，純度高，結(jié)晶穩(wěn)定性好，在非揮發(fā)鐵電存儲(chǔ)器、傳感器、自旋電子學(xué)、光催化等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。本發(fā)明的制備方法設(shè)備簡(jiǎn)單，且具有工藝條件容易控制，成本低廉，產(chǎn)量大，易于工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】D01F9/08, D01D5/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105386158
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510737206
【發(fā)明人】韓高榮, 傅譯可, 李翔
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月9日
【申請(qǐng)日】2015年11月3日