一种多元氧化物纳米材料、纳米结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种多元纳米结构，该纳米结构由分子式ＡｗＢｘＣｙＯｚ的化合物形成，式中Ａ为Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ或Ｚｎ，Ｂ为Ｍｏ，Ｃ为Ｃｕ，并且ｗａ＋ｘｂ＋ｙｃ＝２ｚ，ａ、ｂ和ｃ分别为金属元素Ａ、Ｂ和Ｃ的价态。本发明专利技术还提供了一种制备所述的纳米结构的方法和包含所述的纳米结构的纳米材料。本发明专利技术中多元氧化物纳米结构及纳米材料与二元氧化物纳米材料相比通常具有较为复杂和特殊的晶体结构，因此也表现出二元氧化物纳米材料所不具备的某些特定的物理化学性质。发明专利技术纳米结构的制备无需使用任何催化剂，简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多元氧化物纳米材料和由该纳米材料形成的纳米结构以及这种纳米结构的制备方法。
技术介绍
随着纳米科学和技术的迅速发展，一维纳米结构阵列的制备及其应用愈来愈受到 广泛关注。这种一维纳米结构阵列或准阵列根据材料体系不同而具有多方面的用途，可作 为场发射器件，各种生物以及气体传感器，纳米发电器件和磁存储元器件等。因此，世界上 广泛开展了对各种一维纳米结构阵列生长方法探索及其性能的研究，成为纳米材料科学与 技术的研究热点之一。 目前，制备一维纳米结构阵列的方法主要包括溶液法和化学气相沉积(CVD)法。 前者主要利用某些带孔介质作为模板，在制成一维纳米结构后，去除模板，从而得到阵列结 构。然而，更多的是采用化学气相沉积法。其一般流程为首先在基板上沉积某种具有一定 厚度(取决于所要制备的纳米结构直径)的催化剂薄膜，而后在适当的温度下退火一定时 间，尽可能获得尺寸均一和分散均匀的催化剂颗粒(具有一定的选择性，不同的纳米结构 需要不同类型的催化剂)，然后再采用CVD方法沉积生长。 一般认为，化学气相沉积法制备 纳米结构通常以两种机制进行，即气_固(VS)和气_液_固(VLS)机制。VS机制是在高温 区需要沉积的材料以升华形式形成气相，然后通过气体传输，到达低温区时进行凝结，形成 纳米结构。这种机制一般不需要使用催化剂，但难以形成一维纳米结构阵列。而VLS机制是 沉积材料气相在液态或半固态催化剂颗粒中溶解，当浓度达到或超过其饱和溶解度时析出 形核，通过连续生长形成一维纳米结构或阵列，催化剂往往存在于一维纳米结构的端部或 根部。由此可见，传统CVD方法生长一维纳米结构的特点和过程决定其具有一定的局限性 和不足l.不同种类的纳米结构对催化剂具有较强的选择性；2.纳米结构尺寸取决于催化 剂颗粒尺寸；3.需要专门的催化剂镀膜以及生长设备，成本较高；4.很难生长出三元或三 元以上的纳米线；5.催化剂颗粒的存在对纳米结构阵列的性能影响显著，应用受限；6.大 面积制备受到镀膜设备以及生长设备尺寸的限制，成本急剧提高，生长工艺复杂化。 为了克服传统CVD方法生长一维纳米结构阵列或准阵列的局限，完善和补充该生 长方法，我们提出了一种可大面积生长纳米材料及其纳米结构的方法。产物具有一维纳米 结构阵列或准阵列的形态。该方法无需使用催化剂、简单、成本低。同时，本专利技术中的氧化 物纳米结构是四元及四元以上的氧化物纳米结构。
技术实现思路
本专利技术一 目的提供了一种氧化物纳米材料。 本专利技术另一 目的提供了一种多元氧化物纳米结构。 本专利技术再一 目的还提供了一种制备多元氧化物纳米结构的方法。 本专利技术一方面提供了一种多元氧化物纳米结构，该纳米结构由分子式A^ACyO,的化合物形成，式中A为Mn、Fe、 Co、Ni、 In或Zn， B为Mo， C为Cu，并且wa+xb+yc = 2z， a、 b 和c分别为金属元素A、 B和C的价态。由于Mn、 Fe、 Co、 Ni、 In和Zn及其氧化物与具有较 低升华温度的Mo和Mo的氧化物均能够与CuO在一定条件发生反应，形成多元金属氧化物。 因此，这些具有较高升华温度的金属氧化物所对应的金属元素均能为分子式中的A。 优选地，所述的纳米结构为纳米线、纳米棒或纳米片。 本专利技术另一方面还提供了一种制备所述的纳米结构的方法，该方法包括以下步 骤 a.将盛有A金属或其氧化物的容器置于炉体中1000-140(TC的温区，将盛有B金 属或其氧化物的容器置于炉体中600-1000°C的温区，并将C金属箔片或镀有C金属膜的基 片置于炉体中400-60(TC的温区； b.向炉体中通入氧气和惰性气体的混合气体，使得1)A金属或其氧化物蒸气和2) B金属或其氧化物蒸气同时向C金属箔片或镀有C金属膜的基片上传递，并保持2-40小时， 在C金属箔片或镀有C金属膜的基片上得到所述的纳米结构； 其中所述的A金属为Mn、 Fe、 Co、 Ni、 In或Zn，所述的B金属为Mo，所述的C金属 为Cu。 因为不同金属或其金属氧化物在不同温度下具有不同的饱和蒸汽压，以及在适当 温度下Cu才可以生长出纳米结构。所以，本专利技术中的盛有1)A金属或其氧化物的容器、2) B金属或其氧化物的容器和3)C金属箔片或镀有C金属膜的基片应分别置于炉体中的不同 温度区。本专利技术在1000-140(TC的温区，A金属元素被氧化成A金属的氧化物之后升华或A 金属氧化物直接升华，产生氧化物蒸汽；在600-100(TC的温区，B金属元素被氧化成B金属 氧化物之后升华或B金属氧化物直接升华，产生氧化物蒸气；在400-60(TC的温区，在C金 属箔片或镀有C金属膜的基片上C直接氧化形成其相应的氧化物纳米结构，A金属氧化物 和B金属氧化物的蒸汽被氧和惰性气体的混合气体输送到C的氧化物纳米结构处并与之发 生反应，形成了 AwBxCyOz的纳米结构。 优选地，在所述的步骤b中，向炉体中通入15% _25%体积份数的氧气和余量的惰 性气体的混合气体，该混合气体的流速为10-200sscm。这种配比是为了使混合气体中氧气 含量接近于其在空气中的含量。 优选地，其中步骤a中所述的C金属箔片的厚度为50-100 y m，所述的镀有C金属 膜的基片为镀有50-100 y m厚度的C金属膜的基片。 优选地，其中步骤a中所述的C金属箔片的厚度为50-80 y m，所述的镀有C金属膜 的基片为镀有50-80 m厚度的C金属膜的基片。 优选地，其中在所述的步骤a中，所述的镀有C金属膜的基片是在基片上通过热蒸 发、电子束蒸镀或磁控溅射的方法镀上C金属膜，形成镀有C金属膜的基片。 本专利技术再一方面还提供了一种纳米材料，该纳米材料包含所述的纳米结构。 优选地，其中所述的纳米结构是均匀生长在C金属箔片或镀有C金属膜的基片上 的纳米结构，所述的C金属为Cu。 与现有技术不同的是，本专利技术中的纳米材料及纳米结构是多元氧化物的纳米材料 及纳米结构，即四元氧化物的纳米材料和结构。并且本专利技术中的纳米材料，即均匀生长在C 金属箔片或镀有C金属膜基片上的纳米结构为阵列或准阵列的形式。现有的常见氧化物纳米结构和由纳米结构形成的阵列主要为二元氧化物纳米线及其纳米阵列，如氧化钨纳米 线及其纳米阵列、氧化镍纳米线及其纳米阵列、氧化钛纳米线及其纳米阵列。本专利技术中的 四元氧化物纳米结构及四元氧化物纳米材料可以应用于许多不同的领域，如制备场发射器 件、各种生物、气体传感器、纳米发电器件、磁存储元器件、能量转换元件以及作为催化剂。 与二元氧化物纳米结构及纳米材料不同的是，本专利技术中四元氧化物纳米结构及纳米材料与 二元氧化物纳米材料相比通常具有较为复杂和特殊的晶体结构，因此也表现出二元氧化物 纳米材料所不具备的某些特定的物理和化学性能，或者某些性能得到提高和改善。例如同 样作为纳米催化剂时，本专利技术中的四元氧化物纳米材料中的多种金属离子在催化某些含碳 有机物过程中发生价态改变，相互促进使得催化反应更易进行，进而催化性能得到显著改 善，这是其中任一金属和相应二元氧化物纳米材料所不具备的。此外，这些四元氧化物纳米 材料根据类型和种类不同可应用于不同领域，如催化、自旋电子学、磁记录存储、场发射元 器件以及气体传感元器件等。许多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多元纳米结构，该纳米结构由分子式为Ａ↓［ｗ］Ｂ↓［ｘ］Ｃ↓［ｙ］Ｏ↓［ｚ］的化合物形成，式中Ａ为Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｎ或Ｚｎ，Ｂ为Ｍｏ，Ｃ为Ｃｕ，并且ｗａ＋ｘｂ＋ｙｃ＝２ｚ，ａ、ｂ和ｃ分别为金属元素Ａ、Ｂ和Ｃ的价态。

【技术特征摘要】
一种多元纳米结构，该纳米结构由分子式为AwBxCyOz的化合物形成，式中A为Mn、Fe、Co、Ni、In或Zn，B为Mo，C为Cu，并且wa+xb+yc＝2z，a、b和c分别为金属元素A、B和C的价态。2. 根据权利要求1所述的纳米结构，其中所述的纳米结构为纳米线、纳米棒或纳米片。3. —种制备权利要求1或2所述的纳米结构的方法，该方法包括以下步骤a. 将将盛有A金属或其氧化物的容器置于炉体中1000-140(TC的温区，将盛有B金属 或其氧化物的容器置于炉体中600-1000°C的温区，并将C金属箔片或镀有C金属膜的基片 置于炉体中400-600。C的温区；b. 向炉体中通入氧气和惰性气体的混合气体，使得l)A金属或其氧化物蒸气和2)B金 属或其氧化物蒸气同时向C金属箔片或镀有C金属膜的基片上传递，并保持2-40小时，在 C金属箔片或镀有C金属膜的基片上得到所述的纳米结构；其中所述的A金属为Mn、Fe、Co、Ni、In或Zn，所述的B金属为Mo，所述的C金属为Cu。4. 根据权利要求3所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚卫国，王汉夫，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]