BaTiO3納米粉的溶膠凝膠法制備及其表征

1、BaTiO 3 納米粉的溶膠納米粉的溶膠- -凝膠法凝膠法 制備及其表征制備及其表征 暢柱國暢柱國 崔崔 斌 斌 一、一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）學(xué)習(xí)和掌握溶膠-凝膠法制備納米 粉體的技術(shù) （2）熟悉納米粉體表征的方法 （3）了解納米粉材料的應(yīng)用和納米技術(shù) 的發(fā)展 二、二、 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理 該方法的簡單原理是該方法的簡單原理是 : 鈦酸四丁酯吸收空氣或體系中的水分而逐漸水 解，水解產(chǎn)物發(fā)生失水縮聚形成三維網(wǎng)絡(luò)狀凝膠 ,而 Ba 2+ 或Ba(Ac) 2 的多聚體均勻分布于網(wǎng)絡(luò)中 1 。高溫 熱處理時(shí),溶劑揮發(fā)或灼燒形成 -Ti-O-Ti- 多聚體與 Ba(Ac) 2 分解產(chǎn)生的BaCO 3

2、 (X 射線衍射分析表明,在 形成BaTiO 3 前有BaCO 3 生成)反應(yīng)生成BaTiO 3 2,3 。 試劑與儀器試劑與儀器： 醋酸鋇，鈦酸四丁酯，冰醋酸，無水乙醇均 為分析純?cè)噭?電子分析天平、球磨機(jī)、真空干燥箱、磁力攪 拌器和X 射線衍射(X-ray diffaction, XRD) 三、三、 實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟 （一）鈦酸鋇納米晶粉體制備（一）鈦酸鋇納米晶粉體制備 按0.02mol BaTiO 3 的量合成： 1 合成溶膠的A、B兩種溶液配制 (1) Ba(Ac) 2 溶液配制：按計(jì)量比稱量已干燥過的無水醋 酸鋇(5.1090g)盛入干凈的容器內(nèi)，加入 11mL蒸餾水中， 攪拌使容器

3、內(nèi)混合物變?yōu)榍辶寥芤海礊?Ba(Ac) 2 溶液。 (2) 鈦酸四丁酯溶液配制：稱準(zhǔn)干凈干燥容器（準(zhǔn)確至 0.001）后，按Ba/Ti=1.000再準(zhǔn)確稱取已計(jì)算好的鈦酸 四丁酯量(6.8072g，0.02mol)，向其中加入4ml冰醋酸 和2ml無水乙醇，攪拌均勻后，即為鈦酸四丁酯溶液。 2 2、BaTiOBaTiO3 3納米晶粉體的溶膠納米晶粉體的溶膠- -凝膠合成凝膠合成 在攪拌的條件下，將醋酸鋇溶液沿著玻璃棒向鈦在攪拌的條件下，將醋酸鋇溶液沿著玻璃棒向鈦 酸四丁酯溶液中傾倒，傾倒速度以不濺出溶液為準(zhǔn)，酸四丁酯溶液中傾倒，傾倒速度以不濺出溶液為準(zhǔn)， 在不斷攪拌混勻下，用適量水洗滌盛醋酸

4、鋇溶液的容在不斷攪拌混勻下，用適量水洗滌盛醋酸鋇溶液的容 器內(nèi)壁器內(nèi)壁 3-43-4次，每次洗滌液均沿原使用攪拌棒轉(zhuǎn)入盛次，每次洗滌液均沿原使用攪拌棒轉(zhuǎn)入盛 鈦酸四丁酯溶液的容器中（洗滌水用量有嚴(yán)格限制，鈦酸四丁酯溶液的容器中（洗滌水用量有嚴(yán)格限制， 實(shí)驗(yàn)時(shí)交待）。最后攪拌混合液約實(shí)驗(yàn)時(shí)交待）。最后攪拌混合液約 3030分鐘，形成均勻分鐘，形成均勻 透明的溶膠，在室溫下靜置使其膠凝，所需時(shí)間長短透明的溶膠，在室溫下靜置使其膠凝，所需時(shí)間長短 與室溫溫度有關(guān)，室溫越高，膠凝所需時(shí)間越短。膠與室溫溫度有關(guān)，室溫越高，膠凝所需時(shí)間越短。膠 凝后即為凝膠。再讓凝膠在室溫下靜置陳化凝后即為凝膠。再讓凝膠

5、在室溫下靜置陳化 9-129-12小時(shí)。小時(shí)。 3 、凝膠干燥、凝膠干燥 將陳化后的凝膠放置于搪瓷盤或玻璃器皿中，將陳化后的凝膠放置于搪瓷盤或玻璃器皿中， 于真空干燥器內(nèi)，保持于真空干燥器內(nèi)，保持 60-80 干燥干燥12小時(shí)左右。小時(shí)左右。 4 BaTiO 3 納米晶粉體煅燒納米晶粉體煅燒 將干凝膠盛入剛玉容器中，在馬弗爐內(nèi)，以 3 /分鐘升溫速率加熱至 800 ，保溫2小時(shí)，即得 BaTiO 3 粉體的團(tuán)聚體。將BaTiO 3 粉體的團(tuán)聚體盛 入球磨罐中，以瑪瑙球重 BaTiO 3 粉料重=21的 比例球磨約24小時(shí)，即得BaTiO 3 納米粉體材料。 BaTiO 3 納米粉的制備流程如圖

6、 1 所示。 鈦酸四丁酯鈦酸四丁酯 冰醋酸和無水乙醇溶液冰醋酸和無水乙醇溶液 鈦酸溶液鈦酸溶液 醋酸鋇水溶液醋酸鋇水溶液 透明溶膠透明溶膠pH=3 凝膠體凝膠體 60-80 真空干燥箱中烘干真空干燥箱中烘干 干凝膠干凝膠 800 灼燒灼燒2h 鈦酸鋇團(tuán)聚體鈦酸鋇團(tuán)聚體 球磨球磨24h 鈦酸鋇納米粉鈦酸鋇納米粉 圖圖1 1 溶膠溶膠-凝膠凝膠(sol(sol-gel)gel)法制備法制備BaTiOBaTiO3 3 納米粉的工藝過程納米粉的工藝過程 (二 二) 鈦酸鋇納米粉的表征鈦酸鋇納米粉的表征 將BaTiO 3 粉涂于專用樣品板上,于X 射 線衍射儀上測(cè)定衍射圖,對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行 計(jì)算機(jī)檢索或

7、與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照,可以證實(shí)所 得BaTiO 3 是否為結(jié)晶態(tài),同時(shí)還可以根據(jù)給 出的公式計(jì)算,所得BaTiO3 是否為納米粒子。 BaTiO 3 納米粉XRD標(biāo)準(zhǔn)譜圖見圖2 。 BaTiO 3 納米粉的平均晶粒尺寸可以由下式計(jì)算: D = 0 . 9 / (cos) 式中: D 為晶粒尺寸,納米微粒一般在1100nm 之間；為入 射X 射線波長,對(duì)Cu 靶,=0.1542nm； 為X 射線衍射的布拉 格角(以度計(jì))；為處衍射峰的半高寬(以弧度計(jì))；其中和 可由X 射線衍射數(shù)據(jù)直接給出。 圖圖2 BaTiO2 BaTiO3 3 納米粉納米粉XRD XRD 標(biāo)準(zhǔn)譜圖標(biāo)準(zhǔn)譜圖 (三 三) 注意事項(xiàng)注意

8、事項(xiàng) 1. 溶解醋酸鋇時(shí)所用的水不能一次性加入到 醋酸鋇里； 2. 醋酸鋇水溶液向鈦酸四丁酯溶液中加入時(shí) 應(yīng)緩慢加入； 3. 可用少量冰醋酸洗滌溶解醋酸鋇的燒杯； 4. 球磨時(shí)應(yīng)注意原料和球磨介質(zhì)的比例、球 磨時(shí)間和球磨速度。 四、四、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)實(shí)驗(yàn)總結(jié) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，采用 XRD衍射儀對(duì)所合 成的鈦酸鋇納米粉體進(jìn)行表征，所測(cè)得結(jié)果與 標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較，分析產(chǎn)物的相并計(jì)算出粉 體的粒徑。 五、五、 實(shí)驗(yàn)延伸實(shí)驗(yàn)延伸 (1)采用溶膠-凝膠法制備的鈦酸鋇粉體是經(jīng)過高溫 度燒得來的，雖然此方法所制的粉提交其他方法有很大 的優(yōu)點(diǎn)，但是所得的粉體仍從在團(tuán)聚的現(xiàn)象，而加入表 面活性劑可以改善此前缺點(diǎn)。對(duì)于表面活性的使用以及 所起的作用很希望大家在課后查查相關(guān)的書籍和文獻(xiàn)。 (2)目前納米材料制備已成為研究的熱點(diǎn)，它是將 化學(xué)和材料學(xué)相結(jié)合的科學(xué)，作為化學(xué)系，我們的研究 主要集中在納米材料的制備方面，選擇簡單易行的方法， 制備出粒徑小，形貌多異而又規(guī)則的納米粒子是我們的 主要研究方向。 (3)目前納米材料的制備方法比較多，有興趣的同 學(xué)可以查看有