空氣中熱分解草酸鈮制備多孔結構Nb2O5試驗研究

傅小明，楊在志，孫 虎

(宿遷學院 材料工程系，江蘇 宿遷 223800)

空氣中熱分解草酸鈮制備多孔結構Nb2O5試驗研究

傅小明，楊在志，孫 虎

(宿遷學院 材料工程系，江蘇 宿遷 223800)

草酸鈮；熱分解；空氣；多孔結構；Nb2O5；制備

五氧化二鈮(Nb2O5)是最常見的鈮氧化物，呈白色粉末狀，具有斜方六面體晶體結構，密度為4.47 g/cm3，熔點為1 512 ℃[1-2]，在空氣氣氛中加熱至400～500 ℃時變為黃色。它是一種寬帶隙半導體材料，化學性質穩定[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，環境污染問題日益受到重視，尤其是有機污染物對淡水資源的威脅受到廣泛關注[6]。半導體材料因具有光催化特性，在光照下產生高活性電子-空穴對，具有強氧化還原能力，可實現水體中有機污染物的高效降解，并且不會產生二次污染[12]。常用半導體光催化劑主要為二氧化鈦(TiO2)納米顆粒，但因其極易發生二次團聚，經光催化過程后，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活性，在強酸或強堿環境中易發生反應而失去光催化性能；而Nb2O5具有穩定的化學性質：因此，Nb2O5的光催化作用受到極大關注。

目前，制備不同形貌Nb2O5的方法主要有水熱法、溶膠-凝膠法、溶劑熱法和化學共沉積法等[5-6,15-16]。這些方法都存在一些缺點，一定程度上限制了它們在工業生產中的應用，因此，探索具有工業應用前景的Nb2O5制備方法具有重要意義。

經多年研究發現，熱分解草酸鹽或氫氧化物制備氧化物是一種具備工業化應用前景的方法，具有操作簡便、工藝簡單和成本低廉等優點。對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力學特征和產物物相等，少有對其熱分解產物形貌方面的研究報道，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構Nb2O5。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與設備

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，上海大恒光學精密機械有限公司(管式爐，爐管尺寸φ60 mm×1 000 mm ，加熱元件為1700型優質硅鉬棒，測溫元件為B型熱電偶，工作溫度≤1 600 ℃，恒溫區長度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，德國耐馳公司(溫度120～1 650 ℃，升降溫速率0～50 K/min，質量最大稱量5.0 g，熱重解析度0.1 μg)，用于測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，步進角度0.2°)，用于表征草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產物物相。

熱場發射掃描電鏡，JSM-7001F型，日本電子株式會社，用于表征草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產物形貌。

1.2 試驗方法

采用差熱分析儀，以9 ℃/min的升溫速度，測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；根據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 試驗結果與討論

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物的XRD分析結果如圖2所示。

圖2 草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產物的 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的標準譜圖(JCPDS：#30-0873)晶面(001)、(180)、(201)、(002)、(380)、(182)的特征衍射峰相吻合。說明草酸鈮在空氣氣氛中的熱分解最終產物為Nb2O5，這與TG曲線分析結果相吻合。

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物 Nb2O5的SEM照片

從圖3看出：所得Nb2O5表面有許多網絡狀小孔，表面還有少許小顆粒Nb2O5；Nb2O5表面由不規則、具有一定深度的多孔結構，孔洞較深。多孔有利于增大Nb2O5比表面積、折光率、帶隙，增強其化學穩定性和耐腐蝕性等，從而擴大多孔Nb2O5在催化劑、光學系統和氣體傳感器等領域的應用范圍[16]。

3 結論

[1] 萬明遠.煅燒溫度對五氧化二鈮物理性能的影響[J].稀有金屬與硬質合金，2002，30(1)：19-23.

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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”高層次人才培養對象基金資助項目(2015-XCL-064)；宿遷市產業發展引導基金(科技創新專項)資助項目(H201509)；江蘇省“333”工程科研項目(BRA2017272)。

傅小明(1972-)，男，四川廣元人，博士，副教授，主要研究方向為有色金屬材料。E-mail:122802926@qq.com。