两种纳米结构五氧化二钒的合成与表征

两种纳米结构五氧化二钒的合成与表征
罗卫;强敏;唐雪萍;王玉珏;雷晶晶;王欣
【摘要】分别以五氧化二钒为钒源、双氧水为溶剂和以偏钒酸铵为钒源、稀硫酸为溶剂,通过低温水热法合成了五氧化二钒纳米带和纳米板.并利用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(Fr-IR)和场发射扫描电镜(SEM)对产物进行表征.结果表明,反应产物均为正交的五氧化二钒晶型,纳米带宽度100～300 nm,厚度约100 nm 左右,纳米板形状规则,分布较为均匀,厚度在纳米级别.
【期刊名称】《工业安全与环保》
【年(卷),期】2013(039)002
【总页数】3页(P94-96)
【关键词】五氧化二钒;水热法;纳米结构;表征
【作者】罗卫;强敏;唐雪萍;王玉珏;雷晶晶;王欣
【作者单位】武汉科技大学化学工程与技术学院武汉430081;武汉科技大学化学工程与技术学院武汉430081;武汉科技大学化学工程与技术学院武汉430081;武汉科技大学化学工程与技术学院武汉430081;武汉科技大学化学工程与技术学院武汉430081;武汉科技大学化学工程与技术学院武汉430081
【正文语种】中文
0 引言
纳米粒子具有许多宏观粒子所不具备的新异的物理化学特性。

近年来,纳米材料与
纳米科技的发展已广泛地渗透到催化研究领域,促成了以纳米催化剂为代表的“第
四代催化剂”的出现及其相关研究的蓬勃发展。

纳米催化剂是以颗粒尺寸为纳米量级的纳米微粒为主体的材料。

与一般催化剂相比,纳米催化剂具有高活性和选择性
等诸多优异的性能。

因此,纳米催化剂的研究得到了广泛关注,应用纳米技术来获得
高性能的催化剂已成为催化领域的研究热点[1-2]。

我国钒矿资源丰富,居世界第三位且分布广泛。

钒矿主要和其他矿物一起以共生矿
和复合矿的形式存在,故种类繁多,可达百种左右[3]。

钒的化合物种类繁多,结构复杂,具有广泛的用途。

以钒氧化物为主要活性成分的钒催化剂由于活性高、价廉、稳定性好,已被广泛用于化工原料合成领域,如硫酸生产、苯酐生产、顺酐生产、选择性
催化还原(SCR)氮氧化物及聚合反应等[4]。

五氧化二钒负载在二氧化硅、二氧化钛、氧化铝等,在催化脱硫上有着非常广泛的应用[5]。

水热法是制备氧化物纳米晶体的
重要方法,是指在密闭体系中,以水为溶剂,在一定温度、水自生压力下,原始混合物进行反应,通常在不锈钢反应釜内进行[6]。

与其他方法相比,水热法制备的纳米材料具有高纯、超细、粒径均匀、晶体发育完整、工艺相对简单、所需的温度低等优点受到极大的重视[7]。

目前,国内利用水热法制备氧化铁[8]、二氧化锡[9]、二氧化钛[10]等金属氧化物纳米颗粒的研究技术比较成熟,而采用水热法制备五氧化二钒纳
米颗粒暂处于起步阶段。

本研究采用低温水热法合成了不同形貌的五氧化二钒纳米结构,对进一步合成具有更好脱硫脱硝性能的五氧化二钒(V2O5)纳米负载型催化剂有重要意义。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器
1.1.1 试剂
五氧化二钒、双氧水、偏钒酸铵、硫酸等均为分析纯。

1.1.2 仪器
Xpertpro自动X射线衍射仪,荷兰Philips(铜靶的Kα辐
射,λ=0.15418nm);VERTEX70型傅里叶红外光谱仪,德国Bruker公
司;Nova400NanoSEM型场发射扫描电子显微镜,FEI香港有限公司。

1.2 实验方法
1.2.1 以V2O5为钒源,双氧水为溶剂制备
称取0.91gV2O5粉末,加入一定浓度的双氧水溶液40mL,搅拌1h后形成深红色溶液,将此溶液转入一个50mL带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,密封后置于烘箱中,在180℃下保温反应24h。

待反应结束后自然冷却至室温后将沉淀物用去离子水和无水乙醇各离心洗涤数次,在60℃真空干燥8 h。

即得V2O5纳米颗粒,记为样品Ⅰ。

1.2.2 以NH4VO3为钒源,稀硫酸为溶剂制备
在磁力搅拌的条件下,称取0.117gNH4VO3加入到盛有40mL稀硫酸的烧杯中,约30min后得到一亮黄色澄清溶液;然后将此溶液转入一个50mL带有聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中,密封后置于烘箱中,在180℃下保温反应12h。

待反应结束后自然冷却至室温后将沉淀物用去离子水和无水乙醇各离心洗涤数次,在60℃真空干燥过夜,即得V2O5纳米颗粒,记为样品Ⅱ。

2 结果与讨论
2.1 X射线衍射分析
图1为样品Ⅰ的XRD图,图中样品Ⅰ的主要峰强且尖锐,半高宽窄,说明样品结晶度好,并在2θ为15.4°、20.4°、21.7°、26.2°和31.0°处有特征衍射峰 ,与V2O5标准图谱(PDF#72-0433)的强特征谱线相吻合,属于正交晶型,晶格常数
a=1.151nm,b=0.4369nm,c=0.3563nm,α、β 和γ角均为90°。

图1 样品Ⅰ的XRD图
图2 为样品Ⅱ的XRD图,从图中可以看出,样品Ⅱ的主要特征峰比较强且较尖锐,半
高宽较窄,说明样品结晶度较好,并在2θ为15.4°、20.3°、21.6°、26.2°和31.1°处有特征衍射峰,与V2O5标准图谱(PDF#41-1426)的强特征谱线相吻合,同时,晶格常数a=1.151nm,b=0.3565nm,c=0.4372nm,α、β和γ角均为90°,说明V2O5的晶型为正交晶型。

由此可知,制备的样品Ⅰ与样品Ⅱ均为正交的V2O5晶型。

图2 样品Ⅱ的XRD图
2.2 红外分析
采用固体样品与KBr粉末(光谱纯)压片法测试,样品与KBr比例为1∶100,分辨率为4cm-1,扫描次数为32次,扫描范围为4000～400cm-1。

图3为样品Ⅰ的红外光谱谱图,3200cm-1附近处的吸收峰较宽可能为游离或缔合的酚羟基、羧基或水中O-H的伸缩振动峰,而本样品制备以双氧水为溶剂,可以推断该吸收峰为其反应生成的水未除尽或是从空气中吸收的水蒸气而产生的。

在400～1000cm-1之间的吸收谱带归因于各种钒氧基团的振动。

其中在742cm-1和600cm-1附近出现的吸收峰可归属于晶态V2O5的两个特征峰,与陈文[11]等报道一致。

图3 样品Ⅰ的红外光谱谱图
图4 为样品Ⅱ的红外光谱谱图,3400cm-1附近处的吸收峰可归属于N-H的伸缩振动峰,1600 cm-1附近处的吸收峰可归属于N-H的弯曲振动,而本样品制备是以偏钒酸铵为钒源,可能是其未反应完全的残留部分而产生的。

2800～3100cm-1之间的吸收峰可归属于为烷烃的C-H伸缩振动,可能是由于在样品制备过程中带入的杂质而引起的,400～1000cm-1之间的吸收谱带归因于各种钒氧基团的振动,在1000cm-1附近处以及480～600cm-1之间的吸收峰可归属于晶态V2O5的特征吸收峰,与陈求索[12]等报道一致。

图4 样品Ⅱ的红外光谱谱图
2.3 SEM分析
样品通过喷金预处理,加速电压为 0.2～30 kV,电子束流范围0.3pA～22nA,连续可调,样品台移动范围：X=Y=100mm。

图5为样品Ⅰ的扫描电镜图片,从图中可以看出,样品为形状规则的带状结构,团聚较少,长度在几微米,宽度100～300nm,厚度也在100nm左右。

由此可见,在水热反应温度为180℃,反应时间为24 h的条件下可以制备出条状形貌的纳米带。

图5 样品Ⅰ的SEM照片
图6 为样品Ⅱ的扫描电镜图片,从图中可以看出,样品为一大平板,片状结构,形状规则,长度和宽度都在几微米,厚度在纳米级别。

由此可见,在水热反应温度为180℃,反应时间为12h的条件下可以制备出片状规则形貌的纳米板。

3 结论
以不同钒源和溶剂,通过低温水热法合成了不同形貌的V2O5纳米颗粒。

此反应过程简单,不需要添加任何分散剂和表面活性剂,原料低廉,得到的V2O5纳米颗粒对进一步脱硫脱硝负载型催化剂的制备奠定了基础。

图6 样品Ⅱ的SEM照片
(1)以V2O5为钒源,双氧水为溶剂制备了正交晶型的V2O5纳米带,形状规则,团聚较少,长度几微米,宽度100～300nm,厚度在100nm 左右。

(2)以NH4VO3为钒源,稀硫酸为溶剂制备了正交晶型的V2O5纳米板,形状规则,分布较为均匀,长度和宽度都约几微米,厚度在纳米级别。

参考文献
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