一种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi₂Zr₂O₇纳米材料的方法

一种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi₂Zr₂O₇纳米材料的方法
【专利摘要】本发明公开了一种采用非水解溶胶?凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，属于材料制备领域。包括以下步骤：1)取Bi(NO3)3·5H2O和Zr(NO3)4·5H2O，并加无水乙醇溶解，配成浓度为0.05～0.025mol/L的前驱液A；2)将前驱液A充分搅拌反应至混合均匀，制得混合液B；3)将混合液B于80～120℃下，水热反应5～12h，制得湿凝胶C；4)将湿凝胶C干燥后，得到干凝胶粉，将该干凝胶粉充分研磨，制得粉体D；5)将粉体D热处理，制得纳米尺寸的Bi2Zr2O7纳米粉体。该方法能够制备出尺寸较小的Bi2Zr2O7纳米粉体，产物粒径小，结晶度好。本发明方法工艺简单，操作方便，周期短，制备成本较低。
【专利说明】
_种采用非水解溶胶-凝胶法制备B I 2Ζ「2θ7纳米材料的方法
技术领域
[0001]本发明属于材料制备领域，具体涉及一种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法。
【背景技术】
[0002]锆酸盐因为具有热导率低，热膨胀系数大，耐高温性能强，抗高温烧结及高温稳定性强的性能而被用作高温材料，引起了全世界科研人员和工程技术人员的重视，具有广阔的应用前景[王铀，王亮.新型锆酸盐基热障涂层材料的研究进展[J].中国表面工程，2009，22(6):8-17.]。例如稀土锆酸盐材料被广泛应用于耐火材料、热障涂层材料、高温固体电解质材料、核废料中固定锕系元素的主体和光催化等诸多领域[刘占国，欧阳家虎，夏校良，等.新型稀土锆酸盐材料研究进展[J].中国材料进展，2011，30( I): 32-40.]。
[0003]锆酸铋(Bi2Zr2O7)属立方面心晶系，属Fd3m空间群结构，属烧绿石型复合氧化物。锆酸铋因为其具有较宽的禁带宽度(2.59-2.9eV)，是一种具有发展潜力的可见光响应型光催化剂。
[0004]目前，对于锆酸铋(Bi2Zr2O7)的研究还处于一种初级阶段，已经报道的制备方法为沉淀锻烧法。如Deyong Wu 等[D.Wu，T.He，J.Xia, Y.Tan.Preparat1n and photocatalyticproperties of Β?2ΖΓ2θγ photocatalyst[J].Material Letters，156(2015):195-197.]以Bi(NO3)3.5H2(^PZr(N03)4.5H20为原料，第一阶段采用水热法，制得前驱体沉淀物。经洗涤、干燥、研磨，在600 °C条件下煅烧4小时，制得Bi2Zr207目标产物。以及S.L.Sorokina等[S.L.Sorokina,A.ff.Sleight.NEW PHASES IN THE ZrO2-Bi2O3 AND HfO2-Bi2O3 SYSTEMS[J],Materials Research Bulletin，1998，33(7): 1077-1081.]以Bi (NO3)3 和 Zr(NO3)4 为原料，用浓硝酸溶解，氨水调pH到中性，搅拌，制得沉淀，将沉淀经洗涤、在95°C下干燥10h、研磨，烧结10h，制得目标产物。以上方法均存在制备处理过程复杂，耗能高，周期长等问题。

【发明内容】

[0005]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，该方法制备过程简单，周期短，耗能低。
[0006]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0007]—种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0008]I)按Bi (NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5Η20= 1:1 的摩尔比，取Bi (NO3 )3.5Η20 和 Zr(NO3)4.5Η20，并加无水乙醇溶解，配成Bi3+浓度为0.025?0.05mol/L的前驱液Α;
[0009]2)将前驱液A充分搅拌反应至混合均匀，制得混合液B ；
[0010]3)将混合液B于80?120 °C下，水热反应5?12h，制得湿凝胶C ；
[0011 ] 4)将湿凝胶C干燥后，得到干凝胶粉，将该干凝胶粉充分研磨，制得粉体D;
[0012]5)将粉体D于300?800°C下，热处理3?10h，制得纳米尺寸的Bi2Zr2O7纳米粉体。
[0013]步骤2)是将前驱液A在室温下，磁力搅拌反应I?5h。
[0014]步骤3)是将混合液B置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后将水热釜置于恒温干燥箱中进行水热反应。
[0015]控制水热釜的填充比为20%?40%。
[0016]步骤4)所述干燥是将湿凝胶C置于恒温干燥箱中，于60°C?80°C下进行干燥。
[0017]步骤4)所述的充分研磨是将干凝胶粉置于玛瑙研钵中研磨5?20min。
[0018]步骤5)是将粉体D放入坩祸中，然后将坩祸置于马弗炉中进行热处理。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0020]本发明公开的采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，优势在于，该方法不经过金属醇盐水解过程，直接由前驱体缩聚为凝胶。使得该方法不仅工艺操作过程简单、易实现，而且在溶胶-凝胶过程中更容易实现原子级均匀混合，能够有效促进材料的低温合成。该方法能够制备出尺寸较小的Bi 2Ζ?Ο7纳米粉体，产物粒径小，结晶度好。本发明方法工艺简单，操作方便，周期短，制备成本较低。
【附图说明】
[0021]图1为本发明在实施例1的条件下制得的Bi2Zr2O7纳米材料的X射线衍射(XRD)图谱；
[0022]图2为本发明在实施例1条件下所制备的Bi2Zr2O7纳米材料的扫描电镜(SEM)照片；其中，(a)为5万放大倍率下Bi2Zr2O7纳米材料的SEM图；(b)为2万放大倍率下Bi2Zr2O7纳米材料的SEM图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0024]实施例1
[0025]—种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0026]I)按摩尔比例为Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1称取分析纯的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于烧杯中，溶于一定量的无水乙醇中配制成浓度范围在0.025mol/L的前驱液A。
[0027]2)将所得前驱液A置于磁力搅拌器上，在室温下搅拌2h，充分混合均匀，获得混合液B ο
[0028]3)将混合液B置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，控制填充比为20%，将反应釜放入恒温干燥箱中，控制温度范围在100°c，反应8h，获得湿凝胶C。
[0029]4)将所得的湿凝胶C置于恒温干燥箱中，控制温度在60°C的范围进行干燥。将干燥后获得的干凝胶粉置于玛瑙研钵中充分研磨lOmin，获得粉体D。
[0030]5)将获得的粉体D放入坩祸，置于马弗炉中，于600 °C温度下，热处理4h，最终即可得到纳米尺寸的Bi2Zr207粉体。
[0031]参见图1，从图1中可以看出，本发明在低温条件下可以制备出纯相的Bi2Zr207。
[0032]参见图2，其中，(a)为5万放大倍率下Bi2Zr2O7纳米材料的SEM图；(b)为2万放大倍率下Bi2Zr2O7纳米材料的SEM图。从图2可以看出，采用本发明方法制备的Bi2Zr2O7颗粒尺寸最小在30?50nm之间。
[0033]实施例2
[0034]一种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0035]I)按摩尔比例为Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1称取分析纯的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于烧杯中，溶于一定量的无水乙醇中配制成浓度范围在0.025mol/L的前驱液A。
[0036]2)将所得前驱液A置于磁力搅拌器上，在室温下搅拌lh，充分混合均匀，获得混合液B ο
[0037]3)将混合液B置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，控制填充比为20%，将反应釜放入恒温干燥箱中，控制温度范围在80°C，反应12h，获得湿凝胶C。
[0038]4)将所得的湿凝胶C置于恒温干燥箱中，控制温度在80°C的范围进行干燥。将干燥后获得的干凝胶粉置于玛瑙研钵中充分研磨15min，获得粉体D。
[0039]5)将获得的粉体D放入坩祸，置于马弗炉中，于800°C温度下，热处理3h，最终即可得到纳米尺寸的Bi2Zr207粉体。
[0040]实施例3
[0041]—种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0042]I)按摩尔比例为Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1称取分析纯的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于烧杯中，溶于一定量的无水乙醇中配制成浓度范围在0.05mol/L的前驱液A。
[0043]2)将所得前驱液A置于磁力搅拌器上，在室温下搅拌4h，充分混合均匀，获得混合液B ο
[0044]3)将混合液B置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，控制填充比为30%，将反应釜放入恒温干燥箱中，控制温度范围在90°C，反应10h，获得湿凝胶C。
[0045]4)将所得的湿凝胶C置于恒温干燥箱中，控制温度在60°C的范围进行干燥。将干燥后获得的干凝胶粉置于玛瑙研钵中充分研磨5min，获得粉体D。
[0046]5)将获得的粉体D放入坩祸，置于马弗炉中，于500°C温度下，热处理6h，最终即可得到纳米尺寸的Bi2Zr207粉体。
[0047]实施例4
[0048]一种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0049]I)按摩尔比例为Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1称取分析纯的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于烧杯中，溶于一定量的无水乙醇中配制成浓度范围在0.025mol/L的前驱液A。
[0050]2)将所得前驱液A置于磁力搅拌器上，在室温下搅拌3h，充分混合均匀，获得混合液B ο
[0051]3)将混合液B置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，控制填充比为20%，将反应釜放入恒温干燥箱中，控制温度范围在110°c，反应7h，获得湿凝胶C。
[0052]4)将所得的湿凝胶C置于恒温干燥箱中，控制温度在80°C的范围进行干燥。将干燥后获得的干凝胶粉置于玛瑙研钵中充分研磨20min，获得粉体D。
[0053]5)将获得的粉体D放入坩祸，置于马弗炉中，于300°C温度下，热处理1h，最终即可得到纳米尺寸的Bi2Zr207粉体。
[0054]实施例5
[0055]一种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，包括以下步骤:
[0056]I)按摩尔比例为Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1称取分析纯的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于烧杯中，溶于一定量的无水乙醇中配制成浓度范围在0.05mol/L的前驱液A。
[0057]2)将所得前驱液A置于磁力搅拌器上，在室温下搅拌5h，充分混合均匀，获得混合液B ο
[0058]3)将混合液B置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，控制填充比为40%，将反应釜放入恒温干燥箱中，控制温度范围在120°C，反应5h，获得湿凝胶C。
[0059]4)将所得的湿凝胶C置于恒温干燥箱中，控制温度在70°C的范围进行干燥。将干燥后获得的干凝胶粉置于玛瑙研钵中充分研磨15min，获得粉体D。
[0060]5)将获得的粉体D放入坩祸，置于马弗炉中，于700°C温度下，热处理4h，最终即可得到纳米尺寸的Bi2Zr207粉体。
[0061]综上所述，本发明提供的非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，优势在于:采用非水解溶胶-凝胶法不经过金属醇盐水解过程，直接由前驱体缩聚为凝胶，该方法不仅工艺简单，而且在溶胶-凝胶过程中更易实现原子级均匀混合，有利于促进材料的低温合成O
【主权项】
1.一种采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)按Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1的摩尔比，取Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20，并加无水乙醇溶解，配成Bi3+浓度为0.025?0.05mol/L的前驱液A; 2)将前驱液A充分搅拌反应至混合均匀，制得混合液B; 3)将混合液B于80?120°C下，水热反应5?12h，制得湿凝胶C ； 4)将湿凝胶C干燥后，得到干凝胶粉，将该干凝胶粉充分研磨，制得粉体D; 5)将粉体D于300?800°C下，热处理3?10h，制得纳米尺寸的Bi2Zr2O7纳米粉体。2.根据权利要求1所述的采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，其特征在于，步骤2)是将前驱液A在室温下，磁力搅拌反应I?5h。3.根据权利要求1所述的采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，其特征在于，步骤3)是将混合液B置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，然后将水热釜置于恒温干燥箱中进行水热反应。4.根据权利要求3所述的采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，其特征在于，控制水热釜的填充比为20%?40%。5.根据权利要求1所述的采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，其特征在于，步骤4)所述干燥是将湿凝胶C置于恒温干燥箱中，于60°C?80°C下进行干燥。6.根据权利要求1所述的采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，其特征在于，步骤4)所述的充分研磨是将干凝胶粉置于玛瑙研钵中研磨5?20min。7.根据权利要求1所述的采用非水解溶胶-凝胶法制备Bi2Zr2O7纳米材料的方法，其特征在于，步骤5)是将粉体D放入坩祸中，然后将坩祸置于马弗炉中进行热处理。
【文档编号】C01G29/00GK105905944SQ201610247802
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】曹丽云, 罗艺佳, 周磊, 黄剑锋, 吴建鹏, 闫婧文, 白喆
【申请人】陕西科技大学