鉬酸鐵／氧化鉬異質納米結構合成制備綜合實驗設計

朱春玲，劉巖峰

（哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

鉬酸鐵具有良好的催化特性，可以催化丙烯生產環氧丙烷［1］，另外，還可以用來制作氣敏傳感器檢測乙醇和硫化氫等［2］。鉬酸鐵在工業上一般采用共沉淀方法制備，制備條件對其催化等性能的影響較大［3－4］。納米材料具有較大的比表面積，因此有利于提高其物理化學性能，但是，納米材料一般團聚現象較為明顯，會顯著影響其性能的穩定性。如果將納米材料生長在其他一維納米材料的表面，形成納米異質結構，可以有效地抑制其團聚現象的產生［5－8］。通過設計實驗，尋找具有特定物理化學特性的一維納米材料作為支撐材料，發揮它們的共性，即協同效應，可以進一步提高納米催化劑的催化特性。本文將納米鉬酸鐵生長在一維氧化鉬納米棒的表面，可以顯著提高它們的催化特性［2］。

為了提高學生的實驗技能，培養學生進行綜合實驗的能力，為今后的科研實踐打下堅實基礎，設計了本綜合實驗，實驗既包括化學合成方法，如水熱法和溶劑熱法等，也包括材料的形貌結構的表征手段，如晶格結構的測試和形貌尺寸的表征等，因此，有助于提高學生的綜合實驗能力，可以使學生學會統籌安排實驗。

1 實驗

1.1 主要試劑與儀器

鉬酸銨，硝酸鐵，硝酸，雙氧水，水浴裝置，機械攪拌器，離心機，X射線粉末衍射儀，掃描電子顯微鏡。

1.2 實驗方法

實驗中所使用的一維氧化鉬納米棒采用水熱方法制備，參見參考文獻［9—11］。具體實驗步驟為：將鉬酸銨在空氣氣氛下，500℃退火4h，得到氧化鉬粉末。稱量7.5g氧化鉬粉末，加入50mL雙氧水，27mL濃硝酸，170mL蒸餾水，攪拌6h以上至形成透明黃色溶液，靜止4d以上。取35mL上述溶液，置于高壓釜內膽內，密封高壓釜，170℃反應24h。待高壓釜冷卻到室溫后，將內膽中的襯底用水清洗數次，干燥得到一維氧化鉬納米棒。

取0.075g克氧化鉬納米棒，將其分散到100mL水中，加入0.3g硝酸鐵，在機械攪拌下，水浴50℃反應2h，然后離心分離沉淀。將所得到的沉淀，在空氣氣氛下，500℃退火4h，得到鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構。

2 結果與分析

2.1 XRD和SEM測試結果

圖1為所獲得的鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構的X射線衍射圖譜。通過對比標準數據庫（卡片號JCPDS 83－1701），圖中用 “＊”標出的衍射峰均來自單斜鉬酸鐵晶體，而沒有標出的衍射峰均來自斜方晶系的氧化鉬（卡片號JCPDS 35－0609）。因此，從X射線衍射分析結果可以看出，利用本方法可以獲得晶態的鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構。

圖1 鉬酸鐵／氧化鉬復合納米結構的XRD測試結果

利用掃描電鏡對鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構進行微觀結構分析，如圖2所示。從圖中可以看出，鉬酸鐵納米顆粒均勻生長在氧化鉬納米棒表面，其平均直徑約80nm。同時，一維氧化鉬的形貌保持的較好。

圖2 鉬酸鐵／氧化鉬復合納米結構的掃描電鏡圖

2.2 硝酸鐵加入量的影響

首先研究了硝酸鐵加入量對產物的影響。將硝酸鐵的量進行調整，加入量分別為0.1g和0.6g，獲得的產物利用掃描電鏡進行微觀結構分析。圖3（a）為0.1g硝酸鐵加入量獲得的產物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，鉬酸鐵納米顆粒不是很均勻地生長在一維氧化鉬納米棒表面上，且有的顆粒的直徑超過了200nm。圖3（b）為0.6g硝酸鐵加入量獲得的產物的掃描電鏡圖。可以看出，鉬酸鐵顆粒較均勻，但其生長的密度較大。研究表明，較大的顆粒尺寸和較大生長密度對鉬酸鐵的催化性能均會產生負面影響［2］。因此，硝酸鐵的加入量控制在0.3g獲得的產物較好。

圖3 不同硝酸鐵加入量對鉬酸鐵納米顆粒的影響

2.3 反應時間的影響

反應時間是制備產物的重要因素，反應時間如過長降低生產效率。因此，在實驗過程中，改變反應時間來尋找合適的參量是必要的。圖4（a）為反應時間為1h獲得的產物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，一維氧化鉬納米棒表面生長的鉬酸鐵顆粒較少，顆粒尺寸約50nm，見圖4（a）中的插圖。但是，如果增加反應時間，一維氧化鉬納米棒的形貌會遭到嚴重破壞，且鉬酸鐵的顆粒也不均勻，見圖4（b）及其插圖。因此，可以看出反應時間控制在2h獲得的產物較好。

圖4 不同反應時間對鉬酸鐵納米顆粒的影響

2.4 反應溫度的影響

反應溫度對化學合成樣品的形貌和物理化學特性也具有重要的影響［11－12］，因此，改變反應溫度研究產物形貌等的變化。圖5（a）為反應溫度為40℃獲得的產物的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，一維氧化鉬納米棒形貌保持的較好。同時，氧化鉬納米棒表面生長的鉬酸鐵顆粒較均勻，顆粒尺寸小于50nm，見圖5（a）中的插圖。但是，根據能譜分析結果可知，相對于50℃獲得的樣品相比，鉬酸鐵的含量較少（見表1）。如果反應溫度增加，鉬酸鐵的含量會顯著增加（見表1），但是，一維氧化鉬納米棒的形貌會遭到嚴重破壞，導致部分鉬酸鐵的顆粒脫離氧化鉬表面，如圖5（b）所示。因此，可以看出反應溫度控制在50℃將會獲得較佳的異質結構。

圖5 不同溫度加入量對鉬酸鐵納米顆粒的影響

綜合上述實驗結果（見表1），可以得出制備鉬酸鐵／氧化鉬一維異質納米結構的最佳實驗條件：反應溫度50℃，反應時間2h，硝酸鐵加入量0.3g。

表1 不同反應時間獲得的鉬酸鐵／氧化物異質結構中鐵與鉬的原子含量比

3 結論

在本論文中，將科研成果轉化為學生可以實際操作的綜合性實驗，該實驗既涉及到材料簡單、容易操作的合成方法，又含有多種表征手段，既包含化學知識，又涉及到材料的相關內容。通過本綜合實驗，可以實現在一種材料上面通過簡單的方法包覆上其他的物質，并找到最佳的合成條件，為學生今后做科學研究奠定了基礎，也可以提高學生進行化學實驗的興趣。

（

）

［1］王立，馬濤，盛蔚，等.鉬酸鐵納米管催化劑的合成、表征及其催化丙烯環氧化性能［J］.催化學報，2009，30（8）：711－713.

［2］Chen Y J，Meng F N，Ma C，et al.In situ diffusion growth of Fe2（MoO4）3nanocrystals on the surface ofα－MoO3nanorods with significantly enhanced ethanol sensing properties［J］.Journal of Materials Chemistry，2012，22（25）：12900－12906.

［3］Nijhuis T A，Makkee M，Moulijn J A，et al.The production of propene oxide.Catalytic processes and recent developments［J］.Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，2006，45（10）：3447－3459.

［4］陳新，嚴旭.鉬酸鐵超微粒子的制備及其選擇性氧化正丁醇的研究［J］.廣州化學，2006（31）：13－17.

［5］祁琰媛，陳文，麥立強，等.模板法構筑氧化鉬納米棒陣列的結構與場發射性能研究［J］.功能材料，2008（10）：1743－1745.

［6］許勝先，李鳳儀.溶膠－凝膠技術在多相催化劑制備中的應用［J］.工業催化，2004（12）：6－10.

［7］姜國華，姜繼森.金屬氧化物納米線和納米棒的制備及應用［J］.材料科學與工程學報，2003（21）：753－757.

［8］王文帝，徐化云，劉金華，等.MoO3納米纖維電極材料的水熱合成和化學表征［J］.功能材料，2006（37）：434－436.

［9］Chen Y J，Xiao G，Wang T S，et al.α－MoO3／TiO2core／shell nanorods.Controlled－synthesis and low－temperature gas sensing properties［J］.Sensors and Actuators B Chemical，2011（1）：270－277.

［10］Wang T S，Wang Q S，Zhu C L，et al.Synthesis and enhanced H2S gas sensing properties ofα－MoO3／CuO p－n junction nanocomposites［J］.Sensors and Actuators B Chemical，2012（1）：256－262.

［11］Fang L，Shu Y Y，Wang A，et al.Green synthesis and characterization of anisotropic uniform single－crystalα－MoO3nanostructures［J］.The Journal of Physic Chemistry C，2007（6）：2401－2408.

［12］Michailovski A j，Krumeich F，Patzke G R.Hierarchical Growth of Mixed Ammonium Molybdenum／Tungsten Bronze Nanorods［J］.Chem Mater，2004（16）：1433－1440.