一种制备单晶钛酸铋纳米片的方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备单晶钛酸铋纳米片的方法，包括以下步骤：(1)按照Bi4Ti3O12的化学式，计量称取Bi2O3和TiO2放入陶瓷研钵，再加入碳水化合物，在陶瓷研钵中研磨8～10分钟后得到混合物；(2)将步骤(1)中所得的混合物加热至混合物开始燃烧，燃烧完全后得到粉体；(3)将步骤(2)所得粉体用稀硝酸进行洗涤，去除未反应的氧化铋和氧化钛，再用去离子水洗涤至中性，放入烘箱干燥，得到产物单晶钛酸铋纳米片。本发明的制备方法温度低，节省能源，步骤简单，反应时间短，整个燃烧反应可在10分钟内完成，效率高，合成的单晶钛酸铋纳米片结晶度高，合成容易控制，合成所需仪器设备简单，不需要高能球磨机和高温炉。
【专利说明】 —种制备单晶钛酸铋纳米片的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钛酸铋纳米粉体的制备方法，特别涉及一种制备单晶钛酸铋纳米片的方法。
【背景技术】
[0002]目前，锆钛酸铅(PbxZivxT13)为基的材料作为压电陶瓷得到了广泛应用。但是，PbxZivxTaO3陶瓷在制备以及废弃物处理过程中会造成对环境的污染。随着人们对环境问题的日益重视，无铅压电陶瓷材料已成为电子材料领域紧迫的研究课题之一。钛酸铋(Bi4Ti3O12)晶体以氧化铋层(Bi2O2)2+和类钙钛矿层(Bi2Ti3Oltl)2_交替排列而成，是典型层状钙钛矿结构的压电材料。Bi4Ti3O12铁电性能具有大的各向异性，在a/(b)方向上的自发极化强度(2Ps)达100 μ C/cm2 ;在c方向的2Ps仅为8?10 μ C/cm2。此外，Bi4Ti3O12具有低介电常数、低介电损耗、高居里温度^75°C )和优异的电光转换性能等优点，适用于高温、闻频、闻稳定的工作环境，在铁电存储器、电光器件及闻温超导混合电路中均有广泛应用iu
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[0003]目前为止Bi4Ti3O12的合成方法有很多，主要有固相烧结法、共沉淀法、熔盐法、溶胶-凝胶法等。这些方法一般都需在高于600°C的温度下烧结，能耗较高，且会导致粒径分布不均或粉体形貌不规则，最终影响材料的性能。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种制备单晶钛酸铋纳米片的方法，所需原料为氧化物，成本较低；反应温度低，能在250°C?300°C下合成结晶度高的单晶钛酸铋纳米片，节省能源；步骤简单，反应时间短；工艺容易控制，合成所需仪器设备简单。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0006]一种制备单晶钛酸铋纳米片的方法，包括以下步骤:
[0007](I)按照Bi4Ti3O12的化学式，计量称取Bi2O3和T12放入陶瓷研钵，再加入碳水化合物，在陶瓷研钵中研磨8?10分钟后得到混合物；
[0008](2)将步骤(I)中所得的混合物加热至混合物开始燃烧，燃烧完全后得到粉体；
[0009](3)将步骤(2)所得粉体用稀硝酸进行洗涤，去除未反应的氧化铋和氧化钛，再用去离子水洗涤至中性，放入烘箱干燥，得到产物单晶钛酸铋纳米片。
[0010]所述碳水化合物为酒石酸、蔗糖或甘氨酸。
[0011]步骤(I)所述加热，具体为:加热的温度为250°C?300°C。
[0012]步骤(I)所述碳水化合物的摩尔量为T12的12?15倍。
[0013]步骤(3)所述稀硝酸摩尔浓度为2?3mol/L。
[0014]步骤(3)中所述干燥的温度为85°C。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0016](I)本发明制备单晶钛酸铋纳米片的方法，制备温度为250?300°C，与传统的固相反应相比反应温度大大降低，且不需要原料的反复高能球磨，节省了能源。
[0017](2)本发明制备单晶钛酸铋纳米片的方法，与共沉淀法、熔盐法、溶胶-凝胶法等化学法相比，采用的铋源和钛源分别为氧化铋和氧化钛等氧化物，成本较低。
[0018](3)本发明制备单晶钛酸铋纳米片的方法，步骤简单，并且反应时间极短，整个反应可在1min内完成，与传统的固相反应法以及化学法相比，提高了效率。
[0019](4)本发明制备单晶钛酸铋纳米片的方法，制备所需仪器设备简单，不需要高能球磨机和高温炉。
[0020](5)本发明制备的钛酸铋纳米片为单晶，且结晶度高，晶相单一。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的实施例1的Bi4Ti3O12纳米片的制备流程图。
[0022]图2为本发明的实施例1制备的Bi4Ti3O12粉体的X射线衍射图谱。
[0023]图3为本发明的实施例1所制备的Bi4Ti3O12纳米片的扫描电镜照片。
[0024]图4为本发明的实施例1所制备的Bi4Ti3O12纳米片的透射电镜照片。
[0025]图5为本发明的实施例1所制备的Bi4Ti3O12纳米片的透射电镜选区电子衍射花样。
【具体实施方式】
[0026]下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0027]实施例1
[0028]如图1所示，本实施例的Bi4Ti3O12制备过程包括以下步骤:
[0029]按照Bi4Ti3O12 化学式，称取 4mmol Bi2O3 和 6mmol Ti02。将称量好的 Bi2O3 和 T12放入陶瓷研钵，加入84mmol酒石酸，在陶瓷研钵中充分研磨10分钟后，将混合物移至坩埚；将坩埚放入加热套中加热至250°C，混合物开始燃烧；燃烧完全后自然冷却到室温，把所得粉体用3mol/L的稀硝酸进行洗涤，去除未反应的Bi2O3和T12，再用去离子水洗涤至中性，在85°C的烘箱内干燥，得到产物钛酸铋纳米粉体，钛酸铋为纳米片。
[0030]图2为本发明的实施例1所制备的Bi4Ti3O12粉体的X射线衍射图谱。由图2可知，本实施例制备的钦酸秘粉体结晶良好。
[0031]图3为本发明的实施例1所制备的Bi4Ti3O12纳米粉体的扫描电镜照片。由图3可知，钛酸铋为纳米片，其边缘尺寸大约为100-200nm其厚度大约为10?20nm。
[0032]图4为本发明的实施例1所制备的Bi4Ti3O12纳米粉体的透射电镜照片。由图4可知，钛酸铋为纳米片，其边缘尺寸大约为100-200nm。
[0033]图5为本发明的实施例1所制备的Bi4Ti3O12纳米片的透射电镜选区电子衍射花样，由图可知，Bi4Ti3O12纳米片为单晶。
[0034]实施例2
[0035]本实施例的Bi4Ti3O12制备过程包括以下步骤:按照Bi4Ti3O12化学式，称取2mmolBi2O3和3mmol Ti02。将称量好的Bi2O3和T12放入陶瓷研钵，加入45mmol蔗糖，在陶瓷研钵中充分研磨8分钟，将混合物移至坩埚；将坩埚放入加热套中加热至300°C，混合物开始燃烧；燃烧完全后自然冷却到室温，把所得粉体用2mol/L的稀硝酸进行洗涤，去除未反应的Bi2O3和T12，再用去离子水洗涤至中性，在85°C的烘箱内干燥，得到产物为单晶钛酸铋纳米片，其边缘尺寸大约为150-250nm，其厚度大约为15?30nm。
[0036]实施例3
[0037]按照Bi4Ti3O12 化学式，称取 3mmol Bi2O3 和 4.5mmol T12。将称量好的 Bi2O3 和 T12放入陶瓷研钵，加入65mmol甘氨酸，在陶瓷研钵中充分研磨10分钟，将混合物移至坩埚；将坩埚放入加热套中加热至300°C，混合物开始燃烧；燃烧完全后自然冷却到室温，把所得粉体用2.5mol/L的稀硝酸进行洗涤，去除未反应的Bi2O3和T12，再用去离子水洗涤至中性，在85°C的烘箱内干燥，得到产物为单晶钛酸铋纳米片，其边缘尺寸大约为100-250nm，其厚度大约为20?35nm。
[0038]实施例4
[0039]按照Bi4Ti3O12 化学式，称取 3mmol Bi2O3 和 4.5mmol T12。将称量好的 Bi2O3 和 T12放入陶瓷研钵，加入60mmol酒石酸，在陶瓷研钵中充分研磨8分钟，将混合物移至坩埚；将坩埚放入加热套中加热至250°C，混合物开始燃烧；燃烧完全后自然冷却到室温，把所得粉体用3mol/L的稀硝酸进行洗涤，去除未反应的Bi2O3和T12,再用去离子水洗涤至中性，在850C的烘箱内干燥，得到产物为单晶钛酸铋纳米片，其边缘尺寸大约为100-200nm，其厚度大约为15?25nm。
[0040]实施例5
[0041]按照Bi4Ti3O12 化学式，称取 6mmol Bi2O3 和 9mmol Ti02。将称量好的 Bi2O3 和 T12放入陶瓷研钵，加入135mmol酒石酸，在陶瓷研钵中充分研磨10分钟，将混合物移至坩埚；将坩埚放入加热套中加热至300°C，混合物开始燃烧；燃烧完全后自然冷却到室温，把所得粉体用3mol/L的稀硝酸进行洗涤，去除未反应的Bi2O3和T12，再用去离子水洗涤至中性，在85°C的烘箱内干燥，得到产物为单晶钛酸铋纳米片，其边缘尺寸大约为200-300nm，其厚度大约为25?40nm。
[0042]实施例6
[0043]按照Bi4Ti3O12 化学式，称取 4mmol Bi2O3 和 6mmol Ti02。将称量好的 Bi2O3 和 T12放入陶瓷研钵，加入SOmmol酒石酸，在陶瓷研钵中充分研磨8分钟，将混合物移至坩埚；将坩埚放入加热套中加热至250°C，混合物开始燃烧；燃烧完全后自然冷却到室温，把所得粉体用2mol/L的稀硝酸进行洗涤，去除未反应的Bi2O3和T12,再用去离子水洗涤至中性，在850C的烘箱内干燥，得到产物为单晶钛酸铋纳米片，其边缘尺寸大约为150-250nm，其厚度大约为20?30nm。
[0044]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种制备单晶钛酸铋纳米片的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)按照Bi4Ti3O12的化学式，计量称取Bi2O3和T12放入陶瓷研钵，再加入碳水化合物，在陶瓷研钵中研磨8?10分钟后得到混合物； (2)将步骤(I)中所得的混合物加热至混合物开始燃烧，燃烧完全后得到粉体； (3)将步骤(2)所得粉体用稀硝酸进行洗涤，去除未反应的氧化铋和氧化钛，再用去离子水洗涤至中性，放入烘箱干燥，得到产物单晶钛酸铋纳米片。
2.根据权利要求1所述的制备单晶钛酸铋纳米片的方法，其特征在于，所述碳水化合物为酒石酸、蔗糖或甘氨酸。
3.根据权利要求1所述的制备单晶钛酸铋纳米片的方法，其特征在于，步骤(I)所述加热，具体为:加热的温度为250°C?300°C。
4.根据权利要求1或2所述的制备单晶钛酸铋纳米片的方法，其特征在于，步骤(I)所述碳水化合物的摩尔量为T12的12?15倍。
5.根据权利要求1所述的制备单晶钛酸铋纳米片的方法，其特征在于，步骤(3)所述稀硝酸摩尔浓度为2?3mol/L。
6.根据权利要求1所述的制备单晶钛酸铋纳米片的方法，其特征在于，步骤(3)中所述干燥的温度为85°C。
【文档编号】B82Y40/00GK104294364SQ201410413370
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年8月20日 优先权日:2014年8月20日
【发明者】陈志武, 金无量, 康雄兵 申请人:华南理工大学