童光慶,楊樹林,王釗,郭定和,胡永明,顧豪爽

(湖北大學(xué)有機(jī)化工新材料湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430062)

Nb2O5納米纖維的尺寸與物相調(diào)控研究

童光慶,楊樹林,王釗,郭定和,胡永明,顧豪爽

(湖北大學(xué)有機(jī)化工新材料湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,物理與電子科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430062)

采用靜電紡絲技術(shù)制備不同晶體結(jié)構(gòu)的Nb2O5納米纖維,利用SEM和XRD技術(shù)對(duì)產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.結(jié)果表明:所得Nb2O5納米纖維晶化良好、尺寸分布均勻、長(zhǎng)徑比高且連續(xù)性好.通過調(diào)整靜電紡絲的電壓,可對(duì)納米纖維的直徑進(jìn)行調(diào)控.調(diào)整退火溫度和退火氣氛,可分別獲得偽六方、正交、單斜和正交/單斜混合相的納米纖維.

靜電紡絲;Nb2O5納米纖維;尺寸調(diào)控;物相調(diào)控

0 引言

五氧化二鈮(Nb2O5)是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料,在氣體傳感器、催化、光學(xué)和電致變色器件等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值[1-4].過渡金屬氧化物半導(dǎo)體材料中,物相與晶體結(jié)構(gòu)的不同往往導(dǎo)致材料光催化效率的顯著變化.例如,銳鈦礦相TiO2光催化活性優(yōu)于金紅石相,且混合相TiO2比單相TiO2的光催化效率更高[5-6].相比于TiO2,Nb2O5材料具有更加復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu).齊等人研究了偽六方相和正交相的Nb2O5納米纖維的光催化特性,發(fā)現(xiàn)偽六方相的光催化效率更高[2].然而,有關(guān)Nb2O5一維納米材料其他物相與性能調(diào)控的研究仍不完善.

靜電紡絲技術(shù)是一種制備裝置簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)周期短、重復(fù)性高和成本低廉的制備方法,常用于氧化物多晶納米纖維的大面積制備.采用靜電紡絲法制備Nb2O5納米纖維,其比表面積大、長(zhǎng)徑比極高且化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性良好,有利于Nb2O5納米材料在多種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用.本文中通過靜電紡絲技術(shù)制備Nb2O5納米纖維,研究制備工藝對(duì)纖維的物相和微結(jié)構(gòu)等的影響規(guī)律,實(shí)現(xiàn)納米纖維的物相可控制備.

1 實(shí)驗(yàn)

采用溶膠-凝膠靜電紡絲技術(shù)制備Nb2O5納米纖維,制備工藝流程如下:首先,在干燥的氮?dú)猸h(huán)境中將分析純的Nb(OC2H5)5(99.999%,天津阿法埃莎)溶于一定量的乙醇中,加入1 mL乙酰丙酮后攪拌6 h獲得淡黃色透明溶液A.然后,向溶液A中加入一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP,分析純,MW=1 300 000,阿拉丁),室溫下攪拌12 h獲得粘稠的黃色透明溶液B,為靜電紡絲所需前軀體溶液.采用圖1所示的靜電紡絲裝置,以平面金屬板作為接收端,在0.8 mL/h的推進(jìn)速率和1.2 kV/cm的高壓電場(chǎng)下進(jìn)行靜電紡絲.紡絲2 h后將所得產(chǎn)物置于真空氣氛退火爐中,在不同溫度和氣氛下進(jìn)行退火晶化,獲得的白色織物為所需Nb2O5納米纖維.

圖1 靜電紡絲制備Nb2O5納米纖維的裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

圖2為不同電紡電壓下所得納米纖維在退火前和退火后的SEM照片.圖2(a)表明,退火前納米纖維的尺寸分布較大,其主要原因是退火前產(chǎn)物仍為非晶態(tài)的PVP/Nb2O5溶膠復(fù)合體.退火后,納米纖維的尺寸均勻、長(zhǎng)徑比極高.經(jīng)統(tǒng)計(jì),纖維直徑和電紡電壓的關(guān)系曲線如圖3所示.隨著電紡電壓的增大,納米纖維的平均直徑逐漸降低.靜電紡絲制備納米纖維的過程,是高電場(chǎng)強(qiáng)度下帶電溶液在兩電極間的噴射形成.電場(chǎng)強(qiáng)度越高,纖維所受靜電力越大,在電極間距相同的條件下,所得纖維的直徑越低[7].

圖2 退火前后在不同電紡電壓下所得納米纖維的SEM照片

(a)未退火;(b)6 kV;(c)8 kV;(d)10 kV;(e)12 kV;(f)14 kV

圖3 Nb2O5納米纖維的直徑與電紡電壓的關(guān)系

圖4為空氣中復(fù)合纖維在不同溫度(550～800 ℃)下退火4 h后所得產(chǎn)物的XRD圖譜.如圖4所示,各退火溫度下所得產(chǎn)物晶化良好.隨著退火溫度的增加,衍射峰更見尖銳,表明產(chǎn)物的結(jié)晶程度逐漸增強(qiáng).此外,當(dāng)退火溫度升高至700 ℃時(shí),部分衍射峰出現(xiàn)了明顯的分峰現(xiàn)象.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)卡片No:28-0317和No:27-1003可知,圖4(a)和(b)產(chǎn)物為偽六方相(Hexagonal-phase)的Nb2O5(H-Nb2O5);圖4(c)、(d)和(e)產(chǎn)物為正交相(Orthorhombic-phase)Nb2O5(O-Nb2O5).據(jù)報(bào)道,Nb2O5材料在室溫下具有多種晶體結(jié)構(gòu),包括偽六方、正交、單斜和四方相.然而,從上述結(jié)果可知,800 ℃的高溫下仍無法獲得單斜或四方相的Nb2O5納米纖維,限制了有關(guān)物相與物理化學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)性研究.

圖5為空氣中復(fù)合纖維在不同溫度(550～800 ℃)下退火4 h后所得產(chǎn)物的SEM照片.如圖5所示,各退火溫度下所得產(chǎn)物的表面由細(xì)小的晶粒凝聚而成.當(dāng)退火溫度為550 ℃時(shí),晶粒尺寸較小且纖維表面的晶界較為明顯.當(dāng)退火溫度升高至650 ℃時(shí),晶粒的尺寸有所增加,相鄰小晶粒間逐漸融合.溫度繼續(xù)增加,隨著晶界的消失和晶粒的融合,晶粒尺寸繼續(xù)增大.當(dāng)溫度升高至800 ℃時(shí),由于晶界的融合,晶粒形狀不規(guī)則且尺寸增加較大,納米纖維表面較為光滑.上述結(jié)果表明,退火溫度的增加有利于納米纖維晶粒的長(zhǎng)大,但不同晶體結(jié)構(gòu)的納米纖維形貌和晶粒尺寸并無顯著區(qū)別.

圖4 空氣中不同溫度退火后所得產(chǎn)物的XRD圖譜

(a)550 ℃;(b)650 ℃;(c)700 ℃;(d)750 ℃;(e)800 ℃

圖5 空氣中不同溫度退火后所得產(chǎn)物的SEM照片

(a)550 ℃;(b)650 ℃;(c)700 ℃;(d)750 ℃;(e)800 ℃

圖6 氧氣氛下不同溫度退火后所得產(chǎn)物的XRD圖譜

(a)650 ℃;(b)800 ℃;(c)950 ℃

為了獲得不同物相的Nb2O5納米纖維,將靜電紡絲所得的乙醇鈮/PVP復(fù)合纖維在O2中進(jìn)行退火處理,所得產(chǎn)物的XRD圖譜如圖6所示.當(dāng)退火溫度為650 ℃時(shí),產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)不再是偽六方相,而是正交(O-Nb2O5)和單斜(Monoclinic,M-Nb2O5)的混合結(jié)構(gòu),與標(biāo)準(zhǔn)卡片No:27-1003和No:15-0166相符.隨著退火溫度的增加,800 ℃時(shí)所得樣品仍為正交和單斜復(fù)合結(jié)構(gòu),但譜線中屬于單斜相的衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度比650 ℃時(shí)所得樣品有所增強(qiáng).當(dāng)退火溫度增加至950 ℃時(shí),XRD譜線中正交相的衍射峰強(qiáng)度顯著下降,單斜相成為產(chǎn)物的主要晶相.上述結(jié)果表明,氧氣氛的存在有利于促進(jìn)低溫下正交和單斜相Nb2O5的形成,退火溫度的增加有利于獲得單斜相Nb2O5.

3 結(jié)論

采用溶膠凝膠靜電紡絲技術(shù)制備了不同尺寸和結(jié)構(gòu)的Nb2O5納米纖維.結(jié)果表明,所得納米纖維的尺寸分布均勻、長(zhǎng)徑比極高,且隨著靜電紡絲電壓的增加,纖維的直徑逐漸降低.空氣中退火溫度的增加有利于納米纖維的物相由偽六方相向正交相轉(zhuǎn)變,但仍難以獲得其他結(jié)構(gòu)的Nb2O5.退火溫度的增加有利于納米纖維晶粒的長(zhǎng)大,但不同晶體結(jié)構(gòu)的納米纖維形貌和晶粒尺寸并無顯著區(qū)別.氧氣氛中,較低的退火溫度即可獲得正交-單斜混合相的Nb2O5納米纖維.隨著退火溫度的增加,單斜相逐漸增多.本文中研究的相關(guān)結(jié)果有利于促進(jìn)Nb2O5納米纖維的尺寸、晶體結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性質(zhì)間關(guān)聯(lián)性的研究.

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(責(zé)任編輯 郭定和)

Theinvestigationonthesizeandstructure-controlofNb2O5nanofibers

TONG Guangqing,YANG Shulin,WANG Zhao,GUO Dinghe,HU Yongming,GU Haoshuang

(Hubei Collaborative Innovation Center for Advanced Organic Chemical Materials, School of Physics and Electronic Science, Hubei University, Wuhan 430062, China)

Nb2O5polycrystalline nanofibers with different cyrstal structures were prepared by electrospinning method. The morphology and structure of the nanofibers were characterized by SEM, XRD techniques. The results suggested that the as-synthesized nanofibers exhibited high crystallinity, uniform size-distribution, high aspect ratio and excellent continuities. The diameter of the nanofibers could be controlled by modifying the electrospinning voltage. The hexagonal phase, orthorhombic phase, monoclinic phase and orthorhombic/monoclinic mixing-phase nanofibers could be obtained at different annealing temperature and atmospheres.

electrospinning; Nb2O5nanofibers; size-control; structure-control

2014-01-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(61274073)和科技部863計(jì)劃課題(2013AA031903)資助

童光慶(1987-),女,碩士生;胡永明,通信作者,副教授,E-mail:yongming.hu09@gmail.com

1000-2375(2014)05-0456-03

TB34

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.05.014