一種具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)機(jī)功能材料制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵電材料是一種重要的功能材料，具有顯著的電極化特性、介電性、壓電性、熱釋電性、電光效應(yīng)等一系列優(yōu)異性能，因而得到了人們的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著鉍層狀鈣鈦礦鐵電材料在非揮發(fā)性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器(NVFRAM)和高溫高頻的壓電器件領(lǐng)域的重要應(yīng)用，而受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。其中，鈦酸鉍Bi4Ti30(BIT)是一種典型的三層鉍層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)無(wú)鉛鐵電陶瓷材料，由(Bi202)2+沿c軸方向交替堆疊而成的一種天然超晶格結(jié)構(gòu)，具有較高的居里溫度、較小的相對(duì)介電常數(shù)、優(yōu)良的機(jī)械品質(zhì)。并且，它還具有優(yōu)異的光催化性能，在新型能源和環(huán)境保護(hù)方面也有極其廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]然而，鈦酸鉍在室溫下的矯頑場(chǎng)較高；難以被充分極化且制備溫度偏高，這就使得該材料的鐵電性難以充分表現(xiàn)出來(lái)，不能廣泛應(yīng)用于日常生活生產(chǎn)。近年來(lái)，研究者通過(guò)離子摻雜來(lái)改善其性能，廣泛應(yīng)用的摻雜離子有鍶、釤、鑭等，而采用釓(Gd)進(jìn)行摻雜的相關(guān)研究鮮有報(bào)道，尤其采用溶膠-凝膠微波水熱法進(jìn)行制備的報(bào)道更加稀少。申請(qǐng)人認(rèn)為，由于超聲輔助溶膠-凝膠微波水熱法所需溫度較低，且材料的顆粒分布度及片簇性可以有效提高粉體表面積，增加反應(yīng)活性獲得更優(yōu)性能。并且片簇結(jié)構(gòu)可以為納米微加工技術(shù)等提供便利，為納米材料的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，因此具有較大的研究?jī)r(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法。該方法采用超聲輔助溶膠-凝膠微波水熱制備工藝，能夠在較低溫度下、較短時(shí)間內(nèi)獲得具有單一鉍層狀鈣鈦礦正交相、形貌可控的釓摻雜的鈦酸鉍納米粉體，所制粉體純度高、粒度分布窄、團(tuán)聚程度輕、晶粒組分和形態(tài)可控、反應(yīng)活性好。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0006]步驟一、將四異丙基鈦酸酯溶解于異丙醇中，得到四異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液，然后將三乙醇胺滴加到所述四異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液中，超聲波混合均勻后得到混合液A ;所述混合液A中四異丙基鈦酸酯的體積百分含量為5%?10% ;
[0007]步驟二、將硝酸鉍和硝酸釓按摩爾比1: (0.06?0.14)混合均勻而成的混合液與冰醋酸以及乙二醇甲醚超聲波混合均勻，得到混合液B，然后將步驟一中所述混合液A滴加到所述混合液B中，超聲波混合均勻后得到混合液C ;所述混合液B中硝酸鉍和硝酸釓的總濃度為0.04mol/L?0.08mol/L，所述冰醋酸和乙二醇甲醚的體積比為(10?15): 1，所述混合液A和混合液B的體積比為1: 8;
[0008]步驟三、將十二烷基苯磺酸鈉加入到步驟二中所述混合液C中，超聲波振蕩0.5h?lh后真空靜置3h?5h，得到溶膠，然后將所述溶膠加入到超聲波水浴鍋中，在溫度為60°C?80°C的條件下超聲波振蕩30h?40h進(jìn)行超聲水浴處理，得到干凝膠，之后將所述干凝膠加入到礦化劑溶液中攪拌2h?4h，得到混合液D ;所述干凝膠的加入量為每升礦化劑溶液中加入80g?120g干凝膠，所述礦化劑溶液由礦化劑與去離子水混合均勻而成，所述礦化劑為氫氧化鈉和氫氧化鉀按摩爾比(1?2): 1混合均勻而成的混合液；
[0009]步驟四、將步驟三中所述混合液D加入溫壓雙控微波水熱反應(yīng)儀中，在溫度為140°C?200°C的條件下微波水熱反應(yīng)20min?60min，自然冷卻后得到懸浮液E ;
[0010]步驟五、對(duì)步驟四中所述懸浮液E依次進(jìn)行離心、洗滌和真空冷凍干燥處理，得到具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍。
[0011]上述的一種具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法，其特征在于，步驟一中所述四異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液中四異丙基鈦酸酯的濃度為0.lmol/L?0.2mol/Lo
[0012]上述的一種具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法，其特征在于，步驟一和步驟二中所述滴加的速率均不大于6mL/min。
[0013]上述的一種具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法，其特征在于，步驟三中所述十二燒基苯磺酸鈉的加入量為每升混合液C中加入0.05mol?0.lmol十二燒基苯環(huán)酸鈉。
[0014]上述的一種具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法，其特征在于，步驟三中所述礦化劑溶液中氫氧根的濃度為2.5mol/L?3.5mol/L。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1、本發(fā)明采用超聲輔助溶膠-凝膠微波水熱制備工藝制備釓摻雜的鈦酸鉍，能夠在較低溫度下(140°(:?200°(:)、較短時(shí)間(20min?60min)內(nèi)獲得具有單一鉍層狀鈣鈦礦正交相、形貌可控的釓摻雜的鈦酸鉍納米粉體。本發(fā)明通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制鉍與釓的摩爾比，鈦源選擇四異丙基鈦酸酯，溶劑選擇異丙醇，并添加一定量的三已醇胺可以很好地抑制四異丙基鈦酸酯的水解。
[0017]2、本發(fā)明選用四異丙基鈦酸酯為鈦源，異丙醇為溶劑，硝酸鉍為鉍源，氫氧化鈉和氫氧化鉀為礦化劑，通過(guò)超聲反應(yīng)、真空靜置、超聲水浴等過(guò)程，在四異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液和鉍源的醋酸乙二醇甲醚混合溶液中發(fā)生超聲水解絡(luò)合反應(yīng)形成透明溶膠，溶膠在超聲水浴下脫水縮合形成干凝膠，將干凝膠溶解于氫氧化鈉與氫氧化鉀混合而成的礦化劑溶液中，得到反應(yīng)前驅(qū)體溶液，之后置于溫壓雙控微波水熱反應(yīng)儀中發(fā)生低溫快速的溶膠-凝膠微波水熱反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)礦化劑的濃度，從而獲得粒度均勻的摻雜鈦酸鉍納米片狀粉體，其長(zhǎng)度、寬度均控制在20nm?40nm，厚度控制在3nm?5nm，納米粉體形貌可人為控制。
[0018]3、與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明不需要高溫煅燒，產(chǎn)物直接為晶態(tài)，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，制備溫度低，可重復(fù)性強(qiáng)。可以通過(guò)對(duì)成核、生長(zhǎng)和反應(yīng)時(shí)間的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體顆粒形貌、尺寸團(tuán)聚的控制，從而制成純度高、粒度分布窄、團(tuán)聚程度輕、晶粒組分和形態(tài)可控、反應(yīng)活性好的納米粉體，可廣泛應(yīng)用于形貌、粒徑可控的納米粉體制備領(lǐng)域。
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的SEM照片。
[0021]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的XRD圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1
[0023]本實(shí)施例具有納米片簇結(jié)構(gòu)的釓摻雜鈦酸鉍的制備方法包括以下步驟:
[0024]步驟一、將四異丙基鈦酸酯溶解于異丙醇中，得到四異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液，所述四異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液中四異丙基鈦酸酯的濃度為0.15mol/L ;然后將三乙醇胺以不大于6mL/min的速率滴加到所述四異丙基鈦酸酯的異丙醇溶液中，超聲波混合均勻后得到混合液A ;所述混合液A中四異丙基鈦酸酯的體積百分含量為7.5% ;
[0025]步驟二、將硝酸鉍和硝酸釓按摩爾比1: 0.12混合均勻而成的混合液與冰醋酸以及乙二醇甲醚超聲波混合均勻，得到混合液B，然后將步驟一中所述混合液A以不大于6mL/min的速率滴加到所述混合液B中，超聲波混合均勻后得到混合液C ;所述混合液B中硝酸鉍的濃度與硝酸釓的濃度之和為0.05mol/L，所述冰醋酸與乙二醇甲醚的體