空气中热分解草酸铌制备多孔结构Nb2O5试验研究

傅小明，杨在志，孙 虎

(宿迁学院 材料工程系，江苏 宿迁 223800)

空气中热分解草酸铌制备多孔结构Nb2O5试验研究

傅小明，杨在志，孙 虎

(宿迁学院 材料工程系，江苏 宿迁 223800)

草酸铌；热分解；空气；多孔结构；Nb2O5；制备

五氧化二铌(Nb2O5)是最常见的铌氧化物，呈白色粉末状，具有斜方六面体晶体结构，密度为4.47 g/cm3，熔点为1 512 ℃[1-2]，在空气气氛中加热至400～500 ℃时变为黄色。它是一种宽带隙半导体材料，化学性质稳定[3-6]，可用作压电原件[7]、陶瓷电热器[8]和光催化剂[9-11]等。

近年来，环境污染问题日益受到重视，尤其是有机污染物对淡水资源的威胁受到广泛关注[6]。半导体材料因具有光催化特性，在光照下产生高活性电子-空穴对，具有强氧化还原能力，可实现水体中有机污染物的高效降解，并且不会产生二次污染[12]。常用半导体光催化剂主要为二氧化钛(TiO2)纳米颗粒，但因其极易发生二次团聚，经光催化过程后，催化剂难以回收再利用[13-14]；此外，TiO2纳米颗粒因具有一定物理化学活性，在强酸或强碱环境中易发生反应而失去光催化性能；而Nb2O5具有稳定的化学性质：因此，Nb2O5的光催化作用受到极大关注。

目前，制备不同形貌Nb2O5的方法主要有水热法、溶胶-凝胶法、溶剂热法和化学共沉积法等[5-6,15-16]。这些方法都存在一些缺点，一定程度上限制了它们在工业生产中的应用，因此，探索具有工业应用前景的Nb2O5制备方法具有重要意义。

经多年研究发现，热分解草酸盐或氢氧化物制备氧化物是一种具备工业化应用前景的方法，具有操作简便、工艺简单和成本低廉等优点。对草酸铌或氢氧化铌热分解已有一些研究[2,17-18]，但其研究范围仅局限于草酸铌热分解动力学特征和产物物相等，少有对其热分解产物形貌方面的研究报道，因此，研究了以草酸铌为铌源，在空气气氛中加热分解草酸铌制备多孔结构Nb2O5。

1 试验部分

1.1 试验原料与设备

草酸铌，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司(麦克林试剂)。

热分解炉，SGL-1700型，上海大恒光学精密机械有限公司(管式炉，炉管尺寸φ60 mm×1 000 mm ，加热元件为1700型优质硅钼棒，测温元件为B型热电偶，工作温度≤1 600 ℃，恒温区长度200 mm，恒温精度(±1)℃，升温速度≤10 ℃/min，额定功率6 kW，额定电压为交流电220 V)；方形刚玉坩埚。

差热分析仪，STA499C 型，德国耐驰公司(温度120～1 650 ℃，升降温速率0～50 K/min，质量最大称量5.0 g，热重解析度0.1 μg)，用于测定草酸铌在空气气氛中的热重-差热曲线。

X射线衍射仪，DX-2800型，丹东浩元仪器有限公司(管电压40 kV，管电流30 mA，步进角度0.2°)，用于表征草酸铌在空气气氛中的热分解最终产物物相。

热场发射扫描电镜，JSM-7001F型，日本电子株式会社，用于表征草酸铌在空气气氛中的热分解最终产物形貌。

1.2 试验方法

采用差热分析仪，以9 ℃/min的升温速度，测定草酸铌在空气气氛中的热重-差热曲线。

取一定量草酸铌添加到方形刚玉坩埚中，整平成一定宽度和厚度的方块。把装有草酸铌的方形刚玉坩埚轻推至热分解炉的恒温区；根据草酸铌在空气气氛中的热重-差热曲线，将温度升至草酸铌完全分解时的温度，保温15 min后停止加热，然后随炉冷却至室温后取出试样。

2 试验结果与讨论

2.1 热重-差热分析

草酸铌在空气中的热重-差热(TG-DTA)曲线如图1所示。

图1 草酸铌在空气气氛中的热重-差热曲线

2.2 物相分析

草酸铌在空气气氛中的热分解最终产物的XRD分析结果如图2所示。

图2 草酸铌在空气气氛中的热分解最终产物的 XRD图谱

由图2看出，草酸铌在空气气氛中的热分解最终产物在2θ为22.6°、28.6°、36.8°、46.2°、50.8°和55.2°处的衍射峰与Nb2O5的标准谱图(JCPDS：#30-0873)晶面(001)、(180)、(201)、(002)、(380)、(182)的特征衍射峰相吻合。说明草酸铌在空气气氛中的热分解最终产物为Nb2O5，这与TG曲线分析结果相吻合。

2.3 形貌分析

草酸铌在空气气氛中的热分解最终产物的Nb2O5的SEM照片如图3所示，其中图3(b)为图3(a)中“白色圈”部分放大图，图3(c)为图3(b)中“白色圈”部分放大图。

图3 草酸铌在空气气氛中的热分解最终产物 Nb2O5的SEM照片

从图3看出：所得Nb2O5表面有许多网络状小孔，表面还有少许小颗粒Nb2O5；Nb2O5表面由不规则、具有一定深度的多孔结构，孔洞较深。多孔有利于增大Nb2O5比表面积、折光率、带隙，增强其化学稳定性和耐腐蚀性等，从而扩大多孔Nb2O5在催化剂、光学系统和气体传感器等领域的应用范围[16]。

3 结论

[1] 万明远.煅烧温度对五氧化二铌物理性能的影响[J].稀有金属与硬质合金，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

江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象基金资助项目(2015-XCL-064)；宿迁市产业发展引导基金(科技创新专项)资助项目(H201509)；江苏省“333”工程科研项目(BRA2017272)。

傅小明(1972-)，男，四川广元人，博士，副教授，主要研究方向为有色金属材料。E-mail:122802926@qq.com。