傅小明，楊在志，孫 虎

(宿遷學(xué)院 材料工程系，江蘇 宿遷 223800)

空氣中熱分解草酸鈮制備多孔結(jié)構(gòu)Nb2O5試驗(yàn)研究

傅小明，楊在志，孫 虎

(宿遷學(xué)院 材料工程系，江蘇 宿遷 223800)

草酸鈮；熱分解；空氣；多孔結(jié)構(gòu)；Nb2O5；制備

五氧化二鈮(Nb2O5)是最常見(jiàn)的鈮氧化物，呈白色粉末狀，具有斜方六面體晶體結(jié)構(gòu)，密度為4.47 g/cm3，熔點(diǎn)為1 512 ℃[1-2]，在空氣氣氛中加熱至400～500 ℃時(shí)變?yōu)辄S色。它是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[3-6]，可用作壓電原件[7]、陶瓷電熱器[8]和光催化劑[9-11]等。

近年來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題日益受到重視，尤其是有機(jī)污染物對(duì)淡水資源的威脅受到廣泛關(guān)注[6]。半導(dǎo)體材料因具有光催化特性，在光照下產(chǎn)生高活性電子-空穴對(duì)，具有強(qiáng)氧化還原能力，可實(shí)現(xiàn)水體中有機(jī)污染物的高效降解，并且不會(huì)產(chǎn)生二次污染[12]。常用半導(dǎo)體光催化劑主要為二氧化鈦(TiO2)納米顆粒，但因其極易發(fā)生二次團(tuán)聚，經(jīng)光催化過(guò)程后，催化劑難以回收再利用[13-14]；此外，TiO2納米顆粒因具有一定物理化學(xué)活性，在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿環(huán)境中易發(fā)生反應(yīng)而失去光催化性能；而Nb2O5具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)：因此，Nb2O5的光催化作用受到極大關(guān)注。

目前，制備不同形貌Nb2O5的方法主要有水熱法、溶膠-凝膠法、溶劑熱法和化學(xué)共沉積法等[5-6,15-16]。這些方法都存在一些缺點(diǎn)，一定程度上限制了它們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，因此，探索具有工業(yè)應(yīng)用前景的Nb2O5制備方法具有重要意義。

經(jīng)多年研究發(fā)現(xiàn)，熱分解草酸鹽或氫氧化物制備氧化物是一種具備工業(yè)化應(yīng)用前景的方法，具有操作簡(jiǎn)便、工藝簡(jiǎn)單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)草酸鈮或氫氧化鈮熱分解已有一些研究[2,17-18]，但其研究范圍僅局限于草酸鈮熱分解動(dòng)力學(xué)特征和產(chǎn)物物相等，少有對(duì)其熱分解產(chǎn)物形貌方面的研究報(bào)道，因此，研究了以草酸鈮為鈮源，在空氣氣氛中加熱分解草酸鈮制備多孔結(jié)構(gòu)Nb2O5。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

草酸鈮，分析純，上海麥克林生化科技有限公司(麥克林試劑)。

熱分解爐，SGL-1700型，上海大恒光學(xué)精密機(jī)械有限公司(管式爐，爐管尺寸φ60 mm×1 000 mm ，加熱元件為1700型優(yōu)質(zhì)硅鉬棒，測(cè)溫元件為B型熱電偶，工作溫度≤1 600 ℃，恒溫區(qū)長(zhǎng)度200 mm，恒溫精度(±1)℃，升溫速度≤10 ℃/min，額定功率6 kW，額定電壓為交流電220 V)；方形剛玉坩堝。

差熱分析儀，STA499C 型，德國(guó)耐馳公司(溫度120～1 650 ℃，升降溫速率0～50 K/min，質(zhì)量最大稱量5.0 g，熱重解析度0.1 μg)，用于測(cè)定草酸鈮在空氣氣氛中的熱重-差熱曲線。

X射線衍射儀，DX-2800型，丹東浩元儀器有限公司(管電壓40 kV，管電流30 mA，步進(jìn)角度0.2°)，用于表征草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產(chǎn)物物相。

熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，JSM-7001F型，日本電子株式會(huì)社，用于表征草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產(chǎn)物形貌。

1.2 試驗(yàn)方法

采用差熱分析儀，以9 ℃/min的升溫速度，測(cè)定草酸鈮在空氣氣氛中的熱重-差熱曲線。

取一定量草酸鈮添加到方形剛玉坩堝中，整平成一定寬度和厚度的方塊。把裝有草酸鈮的方形剛玉坩堝輕推至熱分解爐的恒溫區(qū)；根據(jù)草酸鈮在空氣氣氛中的熱重-差熱曲線，將溫度升至草酸鈮完全分解時(shí)的溫度，保溫15 min后停止加熱，然后隨爐冷卻至室溫后取出試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱重-差熱分析

草酸鈮在空氣中的熱重-差熱(TG-DTA)曲線如圖1所示。

圖1 草酸鈮在空氣氣氛中的熱重-差熱曲線

2.2 物相分析

草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產(chǎn)物的 XRD圖譜

由圖2看出，草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產(chǎn)物在2θ為22.6°、28.6°、36.8°、46.2°、50.8°和55.2°處的衍射峰與Nb2O5的標(biāo)準(zhǔn)譜圖(JCPDS：#30-0873)晶面(001)、(180)、(201)、(002)、(380)、(182)的特征衍射峰相吻合。說(shuō)明草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產(chǎn)物為Nb2O5，這與TG曲線分析結(jié)果相吻合。

2.3 形貌分析

草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產(chǎn)物的Nb2O5的SEM照片如圖3所示，其中圖3(b)為圖3(a)中“白色圈”部分放大圖，圖3(c)為圖3(b)中“白色圈”部分放大圖。

圖3 草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產(chǎn)物 Nb2O5的SEM照片

從圖3看出：所得Nb2O5表面有許多網(wǎng)絡(luò)狀小孔，表面還有少許小顆粒Nb2O5；Nb2O5表面由不規(guī)則、具有一定深度的多孔結(jié)構(gòu)，孔洞較深。多孔有利于增大Nb2O5比表面積、折光率、帶隙，增強(qiáng)其化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性等，從而擴(kuò)大多孔Nb2O5在催化劑、光學(xué)系統(tǒng)和氣體傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍[16]。

3 結(jié)論

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PreparationofPorousStructuredNb2O5byThermalDecompositionofNiobiumOxalateinAir

FU Xiaoming,YANG Zaizhi,SUN Hu

(DepartmentofMaterialsEngineering,SuqianCollege,Suqian223800，China)

The pyrolysis of niobium oxalate as the niobium source in air is based on the curve of its TG-DTA.The phases and morphologies of the final products in air are characterized with X-ray diffraction(XRD) and scanning electron microscope(SEM),respectively.The results show that there are three steps in the pyrolysis process of niobium oxalate in air.The adsorbed water and the crystal water in niobium oxalate are lossed from room temperature to 200 ℃ in the first step.The ammonium ion and the oxalate in niobium oxalate are decomposed from 200 ℃ to 330 ℃ in the second step.CO2is obtained from 330 ℃ to 630 ℃ in the third step.Niobium oxalate is completely decomposed at 630 ℃,and porous structured Nb2O5with deep holes is prepared under this temperature.

niobium oxalate;pyrolysis;air;porous structure;Nb2O5;preparation

TQ135;TF123

A

1009-2617(2017)06-0507-04

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.06.014

2017-05-04

江蘇省“六大人才高峰”高層次人才培養(yǎng)對(duì)象基金資助項(xiàng)目(2015-XCL-064)；宿遷市產(chǎn)業(yè)發(fā)展引導(dǎo)基金(科技創(chuàng)新專項(xiàng))資助項(xiàng)目(H201509)；江蘇省“333”工程科研項(xiàng)目(BRA2017272)。

傅小明(1972-)，男，四川廣元人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛猩饘俨牧?。E-mail:122802926@qq.com。