助 能 财 许 2007年增刊(38)卷 乙醇热法合成纳米钛酸钡及其形成机理的研究 冯秀丽 ,王公应2 (1.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900;2.成都有机化学研究所,四川成都610041) 摘要: 研究了常压下以偏钛酸和氢氧化钡为原料, 乙醇为溶剂制备纳米钛酸钡粉末的工艺条件。结果表明 反应原料的钡钛比1.0:反应温度79℃;反应时间6h; (C.P)、乙醇(A.R)溶剂,氨水(A.R)调节pH值;在恒温 磁力搅拌器上油浴加热,自来水回流、冷凝。反应结束 后酸洗、醇洗、离心分离、室温下烘干,在研钵上研磨 便得到钛酸钡粉体。 2.2钛酸钡粉体的钛钡比分析 用热的浓盐酸溶解一定量的钛酸钡粉体,溶解完毕后 冷却至室温。向其中加入一定量的双氧水溶液和硫酸溶 液,放置过夜。过滤沉淀并反复用水清洗,直到滤液中无 CI"为止。将沉淀于850℃下煅烧至恒重,用重量分析法测 量产物中钡的含量,计算出BaO含量。将测定BaO含量 pH值ll为最佳制备条件.通过对在最佳条件下所得产 物的XRD分析,表明钛酸钡粉体为立方相,a值约为 4.028.TEM分析表明,分散的钛酸钡纳米粒子呈方形, 平均粒径约20rIm:ED分析表明,钛酸钡纳米粒子为多 晶结构,其中有少量的单晶存在.通过对不同反应时间 合成的产物的XRD分析,认为本法合成的钛酸钡为原 位转变形成机理. 关键词: 纳米粉;钛酸钡;醇热法;原位转变 中图分类号:TM22 文献标识码:A 文章编号:1001—9731(2007)增刊一2118—04 时所得到的滤液稀释至一定体积,采用722型分光光度 计,在410nm波长下,测量其吸光度值。从TiO2-H202 络合物标准曲线上查得滤液的浓度,计算出T102含量。 2.3表征方法 1 引 言 纳米材料具有独特的体积效应、表面效应、量子尺寸效 应和宏观量子隧道效应,从而使之产生了常规颗粒材料所不 具备的优异的电、磁、光、力、热和化学等宏观特性I , 20世纪80年代以来得到了广泛的研究与应用。 钛酸钡(BaTiO3)是一种精细化工产品,具有铁电、. 压电、正温度系数效应、高的介电常数和热变参数的性 质I6--m】,现已广泛应用于陶瓷电容器、正温度电阻陶瓷 热敏元件、铁电、压电器件等,被称为电子陶瓷工业的 支柱。将钛酸钡粉体纳米化可极大地提高产品附加值和 最终电子陶瓷的性能。如采用纳米钛酸钡粉末制备多层 采用日本理学D/MAX-IIB型x射线衍射仪进行结 构分析,采用Cu靶Ks衍射,用弯曲石墨晶体单色器滤 波,工作电流20mA,电压40kV,扫描速度4。/min,步 长0.02。;采用日本JI三OL公司生产的JEM一2010型透射 电镜观察粒子形貌和粒径,用统计平均的方法计算粒径。 3结果与讨论 3.1 制备条件对实验结果的影响 3.1.1 pH值对实验结果的影响 在钛钡摩尔比为1.25、反应时间为6h、反应温度 为79*(2的条件下考察了pH对产物中钛钡摩尔比和钛酸 钡含量的影响,结果见表l。 表l pH值对产物中钛酸钡含量及Ti/Ba摩尔比的影响 Table l The effect ofpH on Barium Titanate contents and mol ratio of Ti t0 Ba 电容器,可显著增加层数,从而提高电容量并减小体积, 为电子元件的小型化、集成化带来可能。 近年来人们对该材料的合成方法和形成机理进行 了较为详细的研究,但是关于醇热法制备BaTiO3纳米 粒子的报道较少,而且在高压下进行llI】;针对水热法提 出了两种钛酸钡形成机理【l 】:原位转变机理【l 和溶解. 沉淀机理f "】。目前关于常压下以偏钛酸为原料醇热法 合成钛酸钡和合成机理未见报道。本文在常压下,以硫 酸法钛白生产工艺中生产的偏钛酸和氢氧化钡为原料, 乙醇为溶剂来制备钛酸钡纳米粉末,并对其进行了表征 和探讨了钛酸钡的形成机理。 pH值 7 ,l(死):,l(Ba) 1.42 钛酸钡含量(%) 65.0 9 11 1.36 1.15 74.1 83.5 从表l可见,随着pH的增加,产物的Ti/Ba降低, 钛酸钡含量增加。可能因为随着pH的增大,促进偏钛 酸溶解,有利于产物钛酸钡的生成而钛酸钡含量提高。 因此本实验中选取的pH为ll。为了减少后处理过程, 不引入杂质,在本实验过程中使用氨水调节pH值;若 采用氢氧化钾或氢氧化钠来调节pH值,钾、钠离子难 2实验 2.1钛酸钡纳米粉末的制备 在三口烧瓶内加入提纯后的偏钛酸、氢氧化钡 以洗掉,同时使粉体的纯度降低。 ・收到稿件日期:2007.02.05 通讯作者:冯秀丽 作者简介:冯秀丽(1977一),女,辽宁锦州人,助理研究员,博士,主要从事纳米功能材料及化学电源的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 冯秀丽等:乙醇热法合成纳米钛酸钡及其形成机理的研究 3.1.2反应温度对实验结果的影响 在钛钡摩尔比为1.25、反应时间为6h、pH为11 条件下考察了反应物钛钡摩尔比对产物中钛钡摩尔比 的影响,结果见图1。 的条件下考察了反应温度对产物中钛钡摩尔比及钛酸 钡含量的影响,结果见表2。 表2反应温度对产物中钛酸钡含量及Ti/Ba摩尔比的 影响 Table 2 The effect of the temperature on Barium Titanate contents and mol ratio of Ti to Ba 反应温度(℃) 60 70 79 ,l(死):n(Ba) 钛酸钡含量(%) 1.3O 1.27 1.15 78.2 80.3 83.5 图1 原料配比与钛酸钡中钛钡摩尔比之间的关系 Fig 1 The relationship of mol ratio of Ti/Ba between reactants and Barium Titanate 从表2可见,随着反应温度提高,产物的TffBa降低, 钛酸钡含量增加。但是变化的幅度并不大。可能是因为随 着反应温度的提高,氢氧化钡的溶解度增加,促进了氢氧 化钡与偏钛酸反应的进行,使得产物的Ti/Ba降低,钛酸 钡含量增加;但氢氧化钡的溶解度增加的幅度不大,所以 钛酸钡含量和TffBa的变化幅度不大。由于乙醇的沸点为 79℃,本实验中选取的反应温度为79℃。 3.1-3产物后处理时所用酸的种类对实验结果的影响 产物酸洗的目的是除去未反应的氢氧化钡以确保 最终产物的纯度。在反应温度为79℃、钛钡摩尔比为 从图l可见,随着反应物偏钛酸与氢氧化钡摩尔比 的增加,产物中钛钡摩尔比逐渐增大。当反应物钡钛摩 尔比约为1.0时,产物中钛钡摩尔比趋于1。本实验中选 取的反应物钛钡摩尔比为1.0。 3.1.5反应时间对实验结果的影响 在钛钡摩尔比为1.0、反应温度为79"(2、pH为11的 条件下考察了反应时间对产物中钛钡摩尔比和钛酸钡 含量的影响,结果见表4。 表4反应时间对产物中钛酸钡含量及啪a摩尔比的影响 Table 4 The effect of on Barium Titanate contents and mol ratio ofTitoBa 1.25、反应时间为6h、pH为11的条件下考察了产物后 处理时所用酸的种类对产物中钛钡摩尔比及钛酸钡含 量的影响,结果见表3。 反应时间(h) 1 3 5 6 10 ,l(死):n(Ba) 钛酸钡含量(%) O.12 0.48 O.98 1.O1 1.O2 30.8 80.4 92.1 93.5 表3酸的种类对产物中钛酸钡含量及Ti/Ba摩尔比的 影响 Table 3 The effect of the type of acids on Barium Titanate contentsandmol ratio ofTitoBa 酸的种类(O.1mol/L) ,l(死):n(Ba) 钛酸钡含量(%) 盐酸 1.72 74.6 醋酸 1.15 83.5 从表4可见,随着反应时间的延长,产物的n/Ba和产 率先增加后趋于平稳,因为随着反应时间的延长,反应进 行得更加充分。当反应时间为6h,反应进行较完全,产物 中钛钡摩尔比趋于平稳。本实验中选取的反应时间为6h。 3.2 乙醇热法纳米钛酸钡形成机理的探讨 在钡钛摩尔比为1.0、反应温度为79℃、pH为ll 的条件下用x射线衍射法分析了不同的反应时间所得 到的产物组成与晶型,结果见图2。 由于盐酸的酸性较强,可使部分钛酸钡被溶解使 Ba 流失,造成产物中的钛钡比偏高。因此本实验中采 用稀醋酸来洗涤产品。 3.1.4反应物钡钛摩尔比对实验结果的影响 在反应温度为79"C、反应时间为6h、pH为ll的 图2反应时间为1,3,6,10h制得粉体的XRD图 Fig 2 XRD patterns ofpowders reaction time for 1,3,6,10h respectively(reaction conditions:reaction temperature:79"(2, pH:12.mol ratio ofTi/Ba:1.0) 根据图2的XRD图谱,确定在不同反应时间时所 得产物的组成与其相结构,其结果见表5。 维普资讯 http://www.cqvip.com 助 表5反应时间与产物组成及物相的关系 能 财 许 2007年增刊(38)卷 Table 5 Compositions and phases of powders for various reactiontime 为BaTiO3和BaTi2O5。这进一步证实了常压下乙醇为溶 剂合成纳米钛酸钡粉末是原位转变机理:即借助Ba2+ 反应时间(h) l 3 6 10 组成及物相 Ti02(tetragona1)、Ba(CH3COO)2(tetragona1) Ti02(tetragona1)、BaTiO3(cubic)、BaTi205 (monoclinic) BaTiO3(cubic) BaTiO3(cubic) 扩散,与TiO2颗粒表面接触,反应生成BaTiO 薄层, 包裹在未反应的TiO2颗粒表面。刚生成的BaTiO 与相 接触的TiO2继续反应生成了富钛的BaTi2O5。由此可以 推出以偏钛酸为原料乙醇为溶剂合成纳米钛酸钡粉末 的反应步骤。如下: H2TiO3 TiO2+H20 (I) 在不同反应时间时所得产物的组成不同,该种现象 3TiO2+2Ba(OH)2——— Ba O3+BaTi2O5+2H2O(2) 可作如下解释: 当反应时间lh,在此阶段主要发生偏钛酸脱水生成 二氧化钛的反应,新生成的二氧化钛颗粒还未来得及与 aa2 发生反应,所以没有钛酸钡生成。在粉体酸洗后处 理过程中aa2 与醋酸反应生成醋酸钡,水洗过程中,没 能将醋酸钡完全洗掉。因此当反应时间为lh,所得粉体 的组成为二氧化钛和醋酸钡。在反应时间为3h,所得粉 体的组成为二氧化钛、BaTiO3和BaTi2O5。这是由于乙 醇的介电常数小,使得氢氧化钡不能有效地解离;乙醇 的粘度(79℃4.5×10-4pa.s)较大,扩散与粘度成反比, 使得离解的aa2 不能有效地扩散。在此阶段,一部分离 解的Ba 扩散到TiO2颗粒表面,形成BaTiO3薄层,包 裹在未反应的TiO2颗粒表面。部分刚生成的BaTiO3与 相接触的TiO2继续反应,生成了富钛的BaTi2O5。在反 应时间为3~6h阶段,随着钛酸钡的形成,溶解的氢氧 化钡被消耗掉,这样促进了剩余的氢氧化钡的溶解。进 一步离解的Ba2+借助扩散透过BaTiO 薄层,与二氧化钛 和BaTi2O5相接触,使反应继续。直到二氧化钛消耗完 全,钛酸钡合成反应结束。根据图2(c),经计算可知制 得的立方晶系BaTiO3,a值约为4.028。 同时将反应原料中钛钡摩尔比为0.8、反应温度为 79℃、反应时间6h,pH为11的条件下所得到的产物用 x射线衍射法分析了其组成与晶型,结果见图3。 ● ●●● .‘4 l J1I 犬 :::: Z口,l l 图3反应原料Ba/Ti摩尔比为O.8:1制得粉体的XRD 图 Fig 3 XRD patterns of powdes prepared with the Ba/Ti moral ratioof0.8:l 从图3的XRD图谱中可见清晰的BaTiO3和少许的 BaTi2O5衍射峰,与标准的BaTiO3面间距d值相对照, 可确定制得的BaTiO3粒子为立方晶系,与标准的 BaTi2O5面间距d值相对照,可确定BaTi2O5粒子为单 斜晶系。由此可知当反应物中钡钛摩尔比为0.8,产物 Ba(OH)2+BaTi205 2BaTiO3+H20 (3) 当二氧化钛过量时:TiO2q-BaTiO3_◆BaTi2O5(4) 3.3钛酸钡纳米粉末透射电镜的分析 为了研究BaTiO3纳米粒子的形貌和大小,将反应原 料中钡钛摩尔比为1.0、反应温度为79"C、反应时间为 6h、pH为1 1的条件下合成的钛酸钡粉末作TEM分析, 典型的电镜照片如图4所示。由电镜照片可见,BaTiO 纳米粒子粒径分布范围为10 ̄30nm,平均约为20rim, 粒子呈球形和方形:粒径分布较均匀,无明显团聚。图 5是BaTiO3纳米粒子的选区电子衍射图,从图中可见清 晰的衍射环和衍射点,说明BaTiO3纳米粒子为多晶结 构,其中有少量的单晶存在。 图4 BaTiO3纳米粒子的透射电镜照片(×100K) iFg 4 TEM micrograph of BaTiO3 nanoparticles 图5 BaTiO3纳米粒子的电子衍射图 Fig 5 ED pattern of BaTiO3 nanoparticles 4结论 (1)在最佳条件:即反应原料的钡钛比为1.0、反 应温度为79℃、反应时间为6h、pH为l1,产物后处理 时采用稀醋酸洗涤,所得产物钛酸钡的Ti/Ba平均值为 1.0l:具有较好的晶体结构,且为立方相,a值约为 4.028:分散的BaTiO3纳米粒子平均粒径约为20nm呈 方形。ED分析表明,钛酸钡纳米粒子为多晶结构,其 维普资讯 http://www.cqvip.com 冯秀丽等:乙醇热法合成纳米钛酸钡及其形成机理的研究 212I European Ceramic Society,2Oo4.24:739-752. 中有少量的单晶存在。 (2)通过对不同反应时间合成钛酸钡的XRD分 析,推出了钛酸钡的形成机理为原位转变机理和钡钛摩 尔比为O.8时可以生成富钛的BaTi2O5粉末。 参考文献: [1】 董相廷,刘桂霞,孙20(2):123-125. 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Research on preparation and formation mechanism of nanometer barium titanate in alcoho1.thermal methods FENG Xiu—U ,Ⅵ NG Gong—ying (1.Institute of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China; 2.The Chengdu Institute of Organic Chemistry,Chengdu 6113041。China) Abstract:Alcoho1..thermal synthesis of nano..BaTiO3 from H2TiO3 and Ba(OH)2 at n aAtmospheric Press was systematically studied nd ahe toptimized preparation conditions were obmined.Mlen he treaction iS carrid eout at a temperature of 79℃,an atmos—pheric press for 6h,the morl rataio of Ba(OH)2:H2TiO3=I.0,pH=11,the crystal structure of BaTiO3 from XRD is cubic wih the tconstant(a)being 4.028;TEM photos showed that he tBaTiO3 nanoparticles were square in shape,the average size Was about 20nm;ED images indicated that the BaTiO3 nanoparticles were polycrystalline structure,and some of BaTiO3 were monocrystalline particles.By analyzing the relationship between the phase of obtained products and the reaction time, BaTi205 and the Ba/Ti moral ratio,it is proposed that the formation mechanism of BaTiO3 powders is in-situ transformation mechanism. Key words:nanoparticle:barium fitanate)alcohol-thermal method)in-situ transformation
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