一种NbO微球及其水热合成法与应用

技术领域

本发明属于一氧化铌制备技术领域，具体涉及一种NbO微球及其水热合成法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息旨在增加对本发明总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

一氧化铌（NbO）具有与金属相近的导电能力，这引起了科研工作者浓厚的兴趣。一氧化铌材料具有良好的导电性、耐蚀性、高温下高强度等特性，因此被广泛用于高技术产业领域如电子、精密仪器、电声光器件、硬质合金等。例如，以其为原料制造的阳极在电解氧化时，与铝、钽、铌等阀金属相似，能够在阳极表面形成具有优良介电性能的氧化膜。这些特点为低价铌氧化物成为电解电容器阳极材料奠定了基础。受到一氧化铌良好用于电容器研究的启发，中南大学李荐课题组提出了NbO作为一种电极材料应用于锂离子电池的可能性，该课题组研究了NbO的理化性能和电化学性能，其研究目的在于提出新型的锂离子负极材料来解决目前碳负极材料所面临的容量较低和安全性能较差等缺点。通过理论计算得知，NbO的理论容量为492mAh g

目前，制备NbO的主要方法包括高温固相法和碳还原法。然而，这类方法都需要极高的温度（大都在1000℃以上），这不仅消耗了巨大的能源，还给材料生产制备带来了安全隐患。此外，采取以上方法制备的NbO还存在颗粒形状不规则，堆积严重等问题，严重限制了NbO的进一步研究应用。

发明内容

针对上述的问题，本发明提供一种NbO微球及其水热合成法与应用。

这种方法合成条件简单温和，并且制备的NbO微球形状均匀规则，可以通过调控合成条件方便地控制NbO微球的大小和形貌，有效缓解了材料堆积的问题。为实现上述目的，本发明公开如下技术方案：

在本发明的第一方面，提供一种 NbO 微球，该 NbO 微球为表面光滑的球形体或者具有花纹状表面的微球或者是由多个微球聚合在一起形成的聚合微球。

进一步地，所述NbO微球的粒径在1-5μm之间。通过调控合成条件可以方便地控制NbO微球的大小，并呈现出上述各种不同的外观形貌。

在本发明的第二方面，提供一种NbO微球的水热合成法，包括步骤：

（1）以铌基MXene材料为铌源，将其加入过氧化氢和氢氧化锂的水溶液中，混匀得前驱体溶液。

（2）将所述前驱体溶液进行水热反应，完成后分离出反应液中的固体产物，洗涤并干燥，即得。

进一步地，步骤（1）中，所述铌源的分子式为Nb

进一步地，步骤（1）中，所述前驱体溶液中，铌源的浓度控制在0.01~0.02 mol/L之间较佳。

进一步地，步骤（1）中，所述前驱体溶液中的过氧化氢的用量范围保持在0.01~1mol/L范围内较佳。在本步骤中，过氧化氢先将Nb

进一步地，步骤（1）中，所述前驱体溶液中的氢氧化锂浓度控制在1.5~4mol/L之间较佳。在本步骤中，较高浓度的氢氧化锂使得溶液成强碱性，与之前加入的过氧化氢溶液一起构成反应的环境。

进一步地，步骤（2）中，所述溶剂热反应的温度控制在160~200℃之间较佳，反应时间控制在12~24h之间较佳。在本步骤中，在过氧化氢和氢氧化锂的协同作用下，直接将暴露在反应环境中的铌原子氧化成一氧化铌，并以最先生成的NbO晶粒为晶核生长，逐步生成不同形貌尺寸的NbO微球。另外，锂离子在晶体生长过程中起结构诱导作用，使NbO最终形成微球结构。

进一步地，步骤（2）中，通过过滤、离心等方式分离出反应液中的固体产物，然后用乙醇、去离子水依次洗涤后，在50~80℃下烘干10~24h，即得前驱体。

在本发明的第三方面，提供所述NbO微球在储能材料、精密仪器、电声光器件、硬质合金等中的应用。

相较于现有技术，本发明具有以下方面的有益效果：

（1）正如前文所述，采用高温固相法和碳还原法制备NbO需要极高的温度，不仅消耗了巨大的能源，还给材料生产制备带来了安全隐患。目前NbO的制备方法，大多以还原Nb

（2）采用高温固相法和碳还原法制备的NbO不仅颗粒形状不规则，而且堆积严重。这是因为高温还原Nb

（3）本发明的合成方法只需一步水热即可获得NbO微球，条件温和，工艺简单，便于实现规模生产。该方法制备的NbO微球大小可调，形貌可控，可根据实际需要制备不同形貌尺寸的NbO微球，为NbO制备提供了一种新的途径。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1是第一实施例制备的多层铌基MXene（m-Nb

图2是第二实施例制备的NbO光滑微球的XRD图谱（a）和SEM图像（b）。

图3是第三实施例制备的NbO聚合微球的XRD图谱（a）和SEM图像（b）。

图4是第五四实施例制备的NbO花纹微球的XRD图谱（a）和SEM图像（b）。

图5是第一对比例制备的NbO小球的XRD图谱（a）和SEM图像（b）。

具体实施例

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。本发明中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。现根据说明书附图和具体实施例对本发明进一步说明。

一种多层铌基MXene（m-Nb

（1）取10mL去离子水，将其与30mL 12M的HCl混合，磁力搅拌30min形成均一的盐酸溶液，在该溶液中加入3g氟化锂（LiF）和2g Nb

（2）将步骤（1）得到的混合溶液置于泰勒反应釜中，在180℃下水热反应48h，以便于对Nb

（3）将步骤（2）刻蚀完的混合溶液离心，将分离出的固体产物加入去离子水中反复清洗，直到上层清液pH达到6以上。倒掉上层清液，取下层沉淀干燥，得到多层铌基MXene：m-Nb

另外，所述m-Nb

一种NbO微球的水热合成法，包括如下步骤：

（1）将0.15 mol的LiOH加入100mL去离子水中，磁力搅拌至LiOH完全溶解，得到1.5M LiOH的水溶液。

（2）取0.0004mol的第一实施例制备的m-Nb

（3）将步骤（2）中得到的前驱体溶液置于泰勒反应釜中进行溶剂热反应，反应的温度为160℃，反应时间为24h，结束后将得到的反应液置于离心机中离心分离出固体产物。

（4）将所述固体产物依次用去离子水反复洗涤数次，然后在50℃的烘箱中烘干10h，即得NbO微球。

一种NbO微球的水热合成法，包括如下步骤：

（1）将0.3 mol的LiOH加入100mL去离子水中，磁力搅拌至LiOH完全溶解，得到3MLiOH的水溶液。

（2）取0.0008mol的第一实施例制备的m-Nb

（3）将步骤（2）中得到的前驱体溶液置于泰勒反应釜中进行溶剂热反应，反应的温度为200℃，反应时间为16h，结束后将得到的反应液置于离心机中离心分离出固体产物。

（4）将所述固体产物依次用去离子水反复洗涤数次，然后在70℃的烘箱中烘干24h，即得NbO微球。

一种NbO微球的水热合成法，包括如下步骤：

（1）将0.4 mol的LiOH加入100mL去离子水中，磁力搅拌至LiOH完全溶解，得到4MLiOH的水溶液。

（2）取0.0006mol的第一实施例制备的m-Nb

（3）将步骤（2）中得到的前驱体溶液置于泰勒反应釜中进行溶剂热反应，反应的温度为180℃，反应时间为12h，结束后将得到的反应液置于离心机中离心分离出固体产物。

（4）将所述固体产物依次用去离子水反复洗涤数次，然后在80℃的烘箱中烘干16h，即得NbO微球。

一种NbO微球的水热合成法，包括如下步骤：

（1）将0.2 mol的LiOH加入100mL去离子水中，磁力搅拌至LiOH完全溶解，得到2MLiOH的水溶液。

（2）取0.0004mol的第一实施例制备的m-Nb

（3）将步骤（2）中得到的前驱体溶液置于泰勒反应釜中进行溶剂热反应，反应的温度为170℃，反应时间为20h，结束后将得到的反应液置于离心机中离心分离出固体产物。

（4）将所述固体产物依次用去离子水反复洗涤数次，然后在50℃的烘箱中烘干10h，即得NbO微球。

一种NbO微球的水热合成法，包括如下步骤：

（1）将0.3 mol的LiOH加入100mL去离子水中，磁力搅拌至LiOH完全溶解，得到3MLiOH的水溶液。

（2）取0.0004mol的第一实施例制备的m-Nb

（3）将步骤（2）中得到的前驱体溶液置于泰勒反应釜中进行溶剂热反应，反应的温度为190℃，反应时间为15h，结束后将得到的反应液置于离心机中离心分离出固体产物。

（4）将所述固体产物依次用去离子水反复洗涤数次，然后在50℃的烘箱中烘干10h，即得NbO微球。

一种NbO微球的水热合成法，包括如下步骤：

（1）将0.4 mol的LiOH加入100mL去离子水中，磁力搅拌至LiOH完全溶解，得到4MLiOH的水溶液。

（2）取0.0008mol的NbCl

（3）将步骤（2）中得到的前驱体溶液置于泰勒反应釜中进行溶剂热反应，反应的温度为160℃，反应时间为12h，结束后将得到的反应液置于离心机中离心分离出固体产物。

（4）将所述固体产物依次用去离子水反复洗涤数次，然后在50℃的烘箱中烘干10h，即得NbO微球。

对各实施例制备的最终产物进行XRD测试，并在扫描电镜下进行观察，结果如下：

图1是第一实施例制备的多层铌基MXene（Nb

图2是第二实施例制备的NbO光滑微球的XRD图谱（a）和SEM图像（b），从图中可以看出：与标准pdf卡片对比，可证明NbO制备成功，并且制备的NbO微球表面光滑。

图3是第三实施例制备的NbO聚合微球的XRD图谱（a）和SEM图像（b），从图中可以看出：与标准pdf卡片对比，可证明NbO制备成功，并且制备的NbO微球呈现出多个微球聚合在一起，形成新的聚合微球。

图4是第四实施例制备的NbO花纹微球的XRD图谱（a）和SEM图像（b），从图中可以看出：与标准pdf卡片对比，可证明NbO制备成功，并且可以看出制备的NbO微球表面有不规则的花纹。

图5是第一对比例制备的NbO小球的XRD图谱（a）和SEM图像（b），从图中可以看出：与标准pdf卡片对比，证明成功制备出了NbO，但从SEM图中可以看出，制备的NbO微球表面附着着大量的小颗粒，两者尺寸之差非常大，体现这种材料的不均一性。这也证实了直接采用NbCl

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。