Способ получения нанотрубок оксида ванадия

 

Изобретение относится к способам получения новых аллотропических форм оксидов, в частности оксида ванадия, которые могут быть использованы в качестве катализаторов, катодных материалов источников тока, ионообменников, в высокоемкостных конденсаторах. Предлагается способ получения нанотрубок оксида ванадия, включающий получение реакционной смеси и последующее ее нагревание в автоклаве, фильтрование, промывку и сушку полученного осадка, в котором реакционную смесь готовят из геля оксида ванадия (V) и поливинилового спирта, взятых в молярном отношении 1:1. Способ позволяет сократить количество стадий и время получения нанотрубок оксида ванадия, при этом конечный продукт не содержит аминов. 2 ил.

Изобретение относится к способам получения новых алотропических форм оксидов, в частности нанотрубок оксида ванадия, которые могут быть использованы в качестве катализаторов, катодных материалов источников тока, ионообменников, в высокоемкостных конденсаторах.

Известен способ получения нанотрубок оксида ванадия, включающий приготовление суспензии V₂O₅ и амина C _nH_2n+₁NH₂ (11≤ n≤ 20) в молярном отношение 1: 1 в этаноле в течение 2 часов. В эту смесь добавляют воду и перемешивают в течение 48 часов. Полученный продукт подвергают гидротермальной обработке в автоклаве при 180° С в течение 7 дней, промывают этанолом и гексаном и сушат в вакууме при 80° С. Получают нанотрубки оксида ванадия (VO_x-NTs) (Niederberger M., Muhr H. - L, Frumeich F. Et al // Chem. Mater. 2000. V.12. p.1995-2000).

Недостатком известного способа является многостадийность и большая длительность процесса, а также наличие в его составе амина, который делает трубки многослойными с большим межслоевым расстоянием (порядка 26,6-34,4 A ).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения нанотрубок, состоящих из ванадия со смешанной валентностью (Патент США №6210800, МКл. D 01 F 9/00, 2001). В известном способе ванадий оксид-триизопропоксид в количестве 15,74 ммоль добавляют к 7,87 ммоль гексадециламина в атмосфере аргона и перемешивают в течение 1 часа при добавлении 5 мл абсолютного этанола. Полученный раствор гидролизуют, в результате чего образуется оранжевый осадок, который стареет при перемешивании в течение 1 дня. Эту реакционную смесь нагревают в автоклаве 1 день до 80° С, на следующий день до 100° С и в течение 7 дней до 180° С. Получают черный продукт, который отфильтровывают, промывают водой, этанолом, эфиром и высушивают на воздухе. Получают нанотрубки с открытыми и закрытыми концами длиной до 2 нм и диаметром 15-100 нм. Эмпирическая формула нанотрубок VO_2,4(C ₁₆H₃₃NH₂)_0,34.

Недостатками известного способа являются многостадийность, длительность процесса, а также высокое содержание аминов в структуре полученных нанотрубок, что обусловливает многослойность их строения и большое межслоевое расстояние.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения нанотрубок оксида ванадия, который позволил бы сократить длительность процесса, уменьшить количество стадий, а также улучшить качество полученного продукта за счет отсутствия в его структуре аминов.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения нанотрубок оксида ванадия, включающем получение реакционной смеси и последующее ее нагревание в автоклаве, фильтрование, промывку и сушку полученного осадка, в котором реакционную смесь готовят из геля оксида ванадия (V) и поливинилового спирта, взятых в молярном отношении 1: 1.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения нанотрубок оксида ванадия, в котором в качестве реакционной смеси используют смесь геля оксида ванадия (V) и поливинилового спирта, взятых в предлагаемом соотношении.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Берут гель оксида ванадия (V) и добавляют к нему водный раствор поливинилового спирта до соотношения 1: 1, а затем перемешивают в течение не менее 30 минут. Полученную реакционную смесь помещают в автоклав, нагревают до 180° С и при этой температуре выдерживают 3 дня. После чего автоклав охлаждают до комнатной температуры, полученный продукт отфильтровывают, промывают водой и сушат в вакууме при 80° С в течение 3-х часов. По данным фазового анализа полученный сухой продукт имеет структуру орторомбического оксида ванадия (V) и согласно электронно-микроскопическим исследованиям состоит из трубок с закрытыми и открытыми концами диаметром 30-150 нм и длиной несколько мкм, слипшихся в пучок.

На фиг.1 приведено изображение нанотрубок оксида ванадия (V).

Молярное отношение геля оксида ванадия (V) и поливинилового спирта при получении реакционной смеси объясняется следующими причинами. При более низком количестве поливинилового спирта в реакционной смеси после нагревания в автоклаве остается много растворенного ванадия, и смесь очень плохо фильтруется. При более высоком содержании поливинилового спирта нанотрубки загрязнены углеродными структурами и подвержены восстановительному действию избытка спирта.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующим примером.

Пример 1. Берут 30 мл геля оксида ванадия (V) с содержанием 0,1 моля ванадия в 1 литре и добавляют к нему водный раствор поливинилового спирта до соотношения V₂O₅: С₂Н₃ОН=1: 1, а затем перемешивают в течение 30 минут. Полученную реакционную смесь помещают в автоклав, нагревают до 180° С и при этой температуре выдерживают 3 дня. После чего автоклав охлаждают до комнатной температуры, полученный продукт отфильтровывают, промывают водой и сушат в вакууме при 80° С в течение 3-х часов. Согласно данным электронно-микроскопического анализа, электронной дифракции и фазового анализа полученный сухой продукт состоит из нанотрубок диаметром 30-150 нм и длиной несколько микрометров со структурой орторомбического оксида ванадия(V).

На фиг.2 приведено изображение отдельных нанотрубок, которое получено на электронном микроскопе.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет сократить количество стадий и время получения нанотрубок оксида ванадия, при этом конечный продукт не содержит аминов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №03-03-32104).

Формула изобретения

Способ получения нанотрубок оксида ванадия, включающий получение реакционной смеси и последующее ее нагревание в автоклаве, фильтрование, промывку и сушку полученного осадка, отличающийся тем, что реакционную смесь готовят из геля оксида ванадия (V) и поливинилового спирта, взятых в молярном отношении 1:1.

РИСУНКИ