層狀釩酸鉀的制備與表征

田梅娟

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

?

層狀釩酸鉀的制備與表征

田梅娟

(寶雞文理學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省植物化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 寶雞 721013)

摘要：以V2O5為釩源，采用水熱法制備層狀釩酸鉀。考察了反應(yīng)溫度、溶液pH值、反應(yīng)時(shí)間等對(duì)層狀釩酸鉀的結(jié)晶性和形貌的影響。結(jié)果表明，在反應(yīng)溫度為70 ℃、溶液pH值為2.5、反應(yīng)時(shí)間為6 h的條件下，可以得到結(jié)晶性良好的層狀釩酸鉀，其能夠滿足剝離反應(yīng)的需要。

關(guān)鍵詞：層狀釩酸鉀；制備；表征

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，能源的更新?lián)Q代顯得尤為重要。釩酸鹽具有良好的結(jié)晶性、優(yōu)異的電化學(xué)性能和氧化還原性，在鋰離子電池、電化學(xué)傳感器及光催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。其中，釩酸鉀有極好的光電性能，在光催化和電化學(xué)領(lǐng)域有較高的研究價(jià)值。作者以V2O5為釩源，用水熱法[4-5]制備層狀釩酸鉀，通過考察反應(yīng)溫度、溶液pH值和反應(yīng)時(shí)間對(duì)層狀釩酸鉀結(jié)晶性和形貌的影響來確定最佳制備條件。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與儀器

V2O5，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；KOH，分析純，天津北晨方正試劑廠；蒸餾水。

UltimaⅣ組合型多功能水平X-射線衍射儀，日本理學(xué)公司；FEG250G型場發(fā)射掃描電鏡，美國FEI公司；DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

1.2方法

1.2.1層狀釩酸鉀的制備

配制1mol·L-1的KOH標(biāo)準(zhǔn)溶液。以釩鉀比0.16將3gV2O5加入到180mL1mol·L-1的KOH溶液中，攪拌至完全溶解，置于磁力攪拌器上攪拌24h，將攪拌好的溶液裝入水熱反應(yīng)釜中，預(yù)熱后放入均相反應(yīng)器中，在一定的反應(yīng)溫度、溶液pH值、反應(yīng)時(shí)間下反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后取出反應(yīng)釜冷卻，過濾、洗滌、干燥，即得到金黃色層狀釩酸鉀粉末。

1.2.2反應(yīng)條件對(duì)層狀釩酸鉀的結(jié)晶性和形貌的影響

分別在反應(yīng)溫度為50 ℃、60 ℃、70 ℃，溶液pH值為2.5、3.5、4.5，反應(yīng)時(shí)間為4h、5h、6h的條件下制備層狀釩酸鉀，采用XRD、SEM對(duì)合成產(chǎn)物的結(jié)晶性和形貌進(jìn)行表征，研究反應(yīng)條件對(duì)層狀釩酸鉀的結(jié)晶性和形貌的影響。

2結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物的影響

在溶液pH值為2.5的條件下，分別于50 ℃、60 ℃、70 ℃下水熱反應(yīng)6 h，所得樣品的XRD圖譜和SEM照片分別如圖1、圖2所示。

圖1　不同反應(yīng)溫度下所得樣品的XRD圖譜Fig.1　XRD Patterns of samples at different reaction temperatures

a.50 ℃　b.60 ℃　c.70 ℃ 圖2　不同反應(yīng)溫度下所得樣品的SEM照片F(xiàn)ig.2　SEM Images of samples at different reaction temperatures

層狀釩酸鉀的特征衍射峰在2θ=11.57°處，衍射峰越強(qiáng)，產(chǎn)品結(jié)晶度越高。從圖1可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為50 ℃時(shí)，在11.57°處沒有出現(xiàn)特征衍射峰，說明沒有生成所需樣品；當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，在11.57°處已有出峰趨勢；當(dāng)反應(yīng)溫度為70 ℃時(shí)，在11.57°處出現(xiàn)了強(qiáng)的特征衍射峰，表明在此溫度下可以得到較理想的層狀釩酸鉀，而且產(chǎn)物的結(jié)晶性較好。

從圖2可以看出，在反應(yīng)溫度為50 ℃時(shí)所得樣品粒子呈零散狀的板狀結(jié)構(gòu)；在反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)所得樣品粒子有部分層狀形貌，但所占比例不大；在反應(yīng)溫度為70 ℃時(shí)所得樣品粒子插層明顯清晰，且所占比例增大。結(jié)合XRD圖譜，選擇制備層狀釩酸鉀的最佳反應(yīng)溫度為70 ℃。

2.2溶液pH值對(duì)產(chǎn)物的影響

分別調(diào)節(jié)溶液pH值為2.5、3.5、4.5，在70 ℃下水熱反應(yīng)6 h，所得樣品的XRD圖譜和SEM照片見圖3、圖4。

圖3　不同pH值下所得樣品的XRD圖譜Fig.3　XRD Patterns of samples at different pH values

a.pH=4.5　b.pH=3.5　c.pH=2.5 圖4　不同pH值下所得樣品的SEM照片F(xiàn)ig.4　SEM Images of samples at different pH values

從圖3可以看出，當(dāng)溶液pH值分別為2.5、3.5、4.5時(shí)，均可以在11.57°處出現(xiàn)層狀釩酸鉀的特征衍射峰，說明在上述pH值條件下均可以得到所需樣品，而且樣品的結(jié)晶度隨溶液pH值的減小而提高，在pH值為2.5時(shí)所得樣品的衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng)、結(jié)晶性最好。

從圖4可以看出，pH值為4.5時(shí)，所得樣品粒子呈不規(guī)則板狀結(jié)構(gòu)；pH值為3.5時(shí)，所得樣品粒子出現(xiàn)少量層狀結(jié)構(gòu)；pH值為2.5時(shí)，所得樣品粒子插層明顯，邊緣清晰且粒子尺寸較小，有利于后續(xù)研究。結(jié)合XRD圖譜，選擇制備層狀釩酸鉀的最佳溶液pH值為2.5。

2.3反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物的影響

在溶液pH值為2.5、反應(yīng)溫度為70 ℃時(shí)分別水熱反應(yīng)4 h、5 h、6 h，所得樣品的XRD圖譜和SEM照片如圖5、圖6所示。

圖5　不同反應(yīng)時(shí)間下所得樣品的XRD圖譜Fig.5　XRD Patterns of samples at different reaction time

從圖5可以看出，水熱反應(yīng)4 h、5 h、6 h時(shí)，均在11.57°處出現(xiàn)特征衍射峰，說明水熱反應(yīng)4 h、5 h、6 h均可得到所需樣品，但3個(gè)樣品的衍射峰強(qiáng)度有明顯區(qū)別，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，衍射峰強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，所得樣品的結(jié)晶度提高；水熱反應(yīng)6 h所得樣品的特征衍射峰最強(qiáng)，表明此時(shí)所得樣品結(jié)晶性已經(jīng)很好；繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致所得樣品的粒子尺寸增大，不利于剝離反應(yīng)的進(jìn)行。

從圖6可以看出，反應(yīng)4 h后，只有極少量粒子出現(xiàn)層狀形貌，大部分粒子呈零散、無規(guī)則排列狀態(tài)，沒有較理想的形貌；反應(yīng)5 h后，層狀形貌粒子增多，但仍有一部分是板塊狀；反應(yīng)6 h后，形成的插層明顯且清晰，插層厚度較薄。結(jié)合XRD圖譜，選擇制備層狀釩酸鉀的最佳反應(yīng)時(shí)間為6 h。

a.4 hb.5 hc.6 h

圖6不同反應(yīng)時(shí)間下所得樣品的SEM照片

Fig.6SEM Images of samples at different reaction time

3結(jié)論

通過XRD和SEM分析，對(duì)層狀釩酸鉀水熱合成方法進(jìn)行了研究，考察了反應(yīng)溫度、溶液pH值及反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物的影響。結(jié)果表明，在反應(yīng)溫度為70 ℃、溶液pH值為2.5、反應(yīng)時(shí)間為6 h的條件下可以得到形貌理想且結(jié)晶性良好的層狀釩酸鉀。

參考文獻(xiàn)：

[1]MAI L Q,CHEN W,XU Q,et al.Cost-saving synthesis of vanadium oxide nanotuhes[J].Solid State Commun,2003,126(10):541-543.

[2]CHEN X,SUN X M,LI Y D.Self-assembling vanadium oxide na-notubes by organic molecular templates[J].Inorg Chem,2002,41(17):4524-4530.

[3]杜慶洋,楊振明,張勁松.釩酸鹽對(duì)柴油機(jī)排氣中碳煙氧化的催化性能[J].材料研究學(xué)報(bào),2004,18(2):205-212.

[4]XU H Y,WANG H,SONG Z Q,et al.Novel chemical method for synthesis of LiV3O8nanorods as cathode materials for lithium ion batteries[J].Electrochim Acta,2004,49(4):349-353.

[5]PAN G T,LAI M H,JUAN R C,et al.Preparation of visible-light-driven silver vanadates by a microwave-assisted hydrothermal method for the photodegradation of volatile organic vapors[J].Ind Eng Chem Res,2011,50(6):2807-2814.

基金項(xiàng)目：寶雞文理學(xué)院校級(jí)科研項(xiàng)目(ZK16126)

收稿日期：2016-01-26

作者簡介：田梅娟(1985-)，女，陜西寶雞人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向：材料化學(xué)，E-mail：tianmeijuan549@126.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.07.013

中圖分類號(hào)：O 613

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5425(2016)07-0055-03

Preparation and Characterization of Layered Vanadium Acid Potassium

TIAN Mei-juan

(ShaanxiKeyLaboratoryofPhytochemistry,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721013,China)

Abstract：Layered vanadium acid potassium was prepared by a hydrothermal method using V2O5 as a vanadium source.Effects of reaction temperature,pH value of solution and reaction time on crystallinity and morphology of layered vanadium acid potassium were studied.Results showed that,when reaction temperature was 70 ℃,pH value of solution was 2.5 and reaction time was 6 h,the layered vanadium acid potassium with good crystallinity was obtained,which met the requirement of stripping reaction.

Keywords：layered vanadium acid potassium;preparation;characterization

田梅娟.層狀釩酸鉀的制備與表征[J].化學(xué)與生物工程，2016，33(7)：55-57.