一种低温下快速制备立方钛酸铋钠粉体的方法与流程

本发明涉及湿化学法制备粉体技术，具体为一种低温下快速制备立方钛酸铋钠粉体的方法。

背景技术：

压电陶瓷作为一种重要的功能陶瓷材料，在机械、电子、航天航空等领域都有着广泛的应用。目前，使用的压电陶瓷主要集中在铅基的材料中，这种材料中pbo的含量约占材料总量的70％左右。pbo是一种有害物质，在材料的制备、使用和废弃后的处理过程中对环境和人体都产生危害。因此，开发出新型的、性能优良的、与环境相协调的无铅压电陶瓷成为一项紧迫而且有重大实际意义的研究课题。钛酸铋钠(na0.5bi0.5tio3)(nbt)是一类a位复合取代的钙钛矿结构的铁电材料，nbt具有较强的铁电性，以其优异的性能引起了广大学者的关注，被认为是无铅压电陶瓷最有希望的候选材料之一。

nbt的制备大多都采用传统固相法制备，该方法工艺较简单，也适合大规模生产，但传统固相法存在合成温度高、易团聚且很难获得更细的颗粒，同时烧成的陶瓷存在致密性差、样品烧结温度过高而过度再结晶而不能满足高新技术领域的要求。与其他方法相比，微波加热是内加热，可以大大节约能量，而且微波加热便于控制，启动微波，立即与反应器内物料作用，进行水热反应，关闭微波，反应很快停止，滞后效应小。同时微波加速了反应过程，使得反应时间缩短，能够快速制备出结晶完好、粒径分布均匀的粉体。该方法具有制备工艺简单、无需煅烧、粉体的纯度高等一系列优点而被广泛地使用，且反应温度较低。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种低温下快速制备立方钛酸铋钠粉体的方法，该方法反应介质为水，安全性高，工艺简单，利用微波加热使反应更充分均匀，加热更快，周期短，反应温度较低且节省能源，制得粉体晶粒发育完整、粒径分布均匀且纯度较高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种低温下快速制备立方钛酸铋钠粉体的方法，包括如下步骤，

步骤(1)，配置浓度为10～16mol/l的naoh澄清溶液；

步骤(2)，配置浓度为0.1～0.2mol/l的bi(no3)3·5h2o溶液，并向bi(no3)3·5h2o溶液中滴入硝酸，持续搅拌至bi(no3)3·5h2o完全溶解，得到澄清溶液a；

步骤(3)，将ti(oc4h9)4滴加到澄清溶液a中，搅拌后得到混合溶液b，其中ti(oc4h9)4与步骤(2)中bi(no3)3·5h2o的摩尔比为1:1～1:2；

步骤(4)，将步骤(1)中得到的naoh澄清溶液滴加至混合溶液b中，搅拌混合均匀，得na0.5bi0.5tio3前驱液；

步骤(5)，将步骤(4)中所得到的na0.5bi0.5tio3前驱液进行微波水热反应；

步骤(6)，微波水热反应结束待反应产物冷却到室温后，将反应后的沉淀物洗涤、恒温干燥和过筛后得到立方na0.5bi0.5tio3粉体。

优选的，所述的步骤(1)中，naoh澄清溶液的浓度为12～16mol/l。

优选的，所述的步骤(2)中，加入硝酸的量为1～2ml。

优选的，所述的步骤(4)中，naoh澄清溶液逐滴滴加至混合溶液b中，搅拌0.2～1h混合均匀后得到乳白色的na0.5bi0.5tio3前驱液。

优选的，所述的步骤(5)中，微波水热反应的反应温度为150～180℃，反应时间为20～30min。

优选的，所述的步骤(5)中，微波反应功率为300～500w。

优选的，所述的步骤(5)中，将步骤(4)中所得到的na0.5bi0.5tio3前驱液放入反应釜中，再将反应釜放入微波水热平行合成仪中进行水热反应。

进一步，所述的反应釜中的填充率为35％～40％。

优选的，步骤(6)中，待微波水热平行合成仪中温度降至室温，压力降为0时，取出反应釜，将反应釜中的沉淀物用去离子水和无水乙醇分别洗涤，进行恒温干燥、过筛后得到所需要的粉体。

进一步，所述的步骤(6)中，先用去离子水洗涤3～5次后再用无水乙醇洗涤4～6次。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明采用快速高效的方法在低温下快速制备出立方钛酸铋钠粉体，不同于以往传统的固相法，该方法具有更加快速高效且节省能源的优点。相比于利用其他方法，通过这种可控的湿化学法制备的立方na0.5bi0.5tio3粉体纯度高、粉体颗粒尺寸分布窄及粉体颗粒尺寸可控制、晶型好，且该方法制备粉体所需的反应时间大幅度缩短，反应温度降低，易得到合适的化学计量物，省去了高温煅烧和球磨，从而避免了杂质和结构缺陷，而且操作简单，工艺重复性好，具有低耗能、污染小、产量较高投资较少等特点。同时采用微波水热法时，微波能对反应液起到振荡作用，有效的促进反应和提高粉体晶粒品质，减少了粒子的团聚。从而改善了传统固相法制备该粉体时所带来的粒径分布不均匀、样品煅烧温度过高、易团聚、实验周期长等缺点。该方法制备的立方na0.5bi0.5tio3粉体结构稳定，颗粒分布均匀，纯度较高，呈立方均匀分布。

进一步，通过控制naoh溶液滴加速率，以及对沉淀物的多次洗涤以及先用去离子水洗涤后再用无水乙醇洗涤，提高了样品的纯度，减少了样品的团聚，加强了对本发明的粉体颗粒形貌的可控度。

进一步，通过控制混合溶液的搅拌时间，从而能够提高na0.5bi0.5tio3前驱液的均匀性，从而保证产品的纯度和原料的利用率。

进一步，本发明反应时间大幅度缩短，可以大大节约能量，减少对环境的污染。

进一步，本发明反应温度低，无需煅烧，产量较高投资较少，制得的粉体均匀分布。

附图说明

图1为本发明实例制备的立方na0.5bi0.5tio3粉体x射线衍射图谱。

图2为本发明实例制备的立方na0.5bi0.5tio3粉体的扫描图像。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种低温下快速制备立方na0.5bi0.5tio3粉体的方法，工艺简单，重复性好，反应温度低，时间短，且粉体无需再煅烧，产量高投资少，能够大大节约能源、制备的粉体纯度高，且化学计量比可控，对na0.5bi0.5tio3粉体合成而言是一种优异的制备方法。具体如以下实例。

实例1

本发明一种低温下快速制备立方钛酸铋钠粉体的方法，包括如下步骤，

(1)配置naoh澄清溶液，溶液中，naoh的浓度为12mol/l；

(2)配置bi(no3)3·5h2o溶液，溶液中，bi(no3)3·5h2o的浓度为0.1mol/l，并向溶液中滴入适量的硝酸，持续搅拌至bi(no3)3·5h2o完全溶解，得到澄清溶液a；本优选实例中所用硝酸为1ml；

(3)用移液管将ti(oc4h9)4滴加到澄清溶液a中，得到混合溶液b，其中ti(oc4h9)4与步骤(2)中bi(no3)3·5h2o的摩尔比为1:1；

(4)将步骤(3)中的混合溶液b磁力搅拌后，再逐滴将naoh澄清溶液逐滴加到混合溶液b中，再于室温下搅拌混合均匀，得微波水热反应的na0.5bi0.5tio3前驱液；

(5)将步骤(4)中所得到的na0.5bi0.5tio3前驱液放入反应釜中，再将反应釜放入微波水热平行合成仪中进行水热反应，反应温度为160℃，反应时间为30min，反应功率为500w；本优选实例中反应釜的填充率为35％。

(6)待微波水热平行合成仪中温度降至室温，压力降为0时，取出反应釜，将反应釜中的沉淀物用去离子水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤4次后，在80℃下进行恒温干燥、过300目筛后得到所需要的立方na0.5bi0.5tio3粉体。

实例2

本发明一种低温下快速制备立方钛酸铋钠粉体的方法，包括如下步骤，

(1)配置naoh澄清溶液，溶液中，naoh的浓度为14mol/l；

(2)配置bi(no3)3·5h2o溶液，溶液中，bi(no3)3·5h2o的浓度为0.2mol/l，并向溶液中滴入适量的硝酸，持续搅拌至bi(no3)3·5h2o完全溶解，得到澄清溶液a；本优选实例中所用硝酸为2ml；

(3)用移液管将ti(oc4h9)4滴加到澄清溶液a中，得到混合溶液b，其中ti(oc4h9)4与步骤(2)中bi(no3)3·5h2o的摩尔比为1:1.5；

(4)将步骤(3)中的混合溶液b磁力搅拌后，再逐滴将naoh澄清溶液逐滴加到混合溶液b中，再于室温下搅拌混合均匀，得微波水热反应的na0.5bi0.5tio3前驱液；

(5)将步骤(4)中所得到的na0.5bi0.5tio3前驱液放入反应釜中，再将反应釜放入微波水热平行合成仪中进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为30min，反应功率为400w；本优选实例中反应釜的填充率为40％。

(6)待微波水热平行合成仪中温度降至室温，压力降为0时，取出反应釜，将反应釜中的沉淀物先用去离子水洗涤4次，再用无水乙醇洗涤4次后，80℃下进行恒温干燥、过300筛后得到所需要的立方na0.5bi0.5tio3粉体。

实例3

本发明一种低温下快速制备立方na0.5bi0.5tio3粉体的方法，包括如下步骤，(1)配置naoh澄清溶液，溶液中，naoh的浓度为15mol/l；

(2)配置bi(no3)3·5h2o溶液，溶液中，bi(no3)3·5h2o的浓度为0.1mol/l，并向溶液中滴入适量的硝酸，持续搅拌至bi(no3)3·5h2o完全溶解，得到澄清溶液a；本优选实例中所用硝酸为1.5ml；

(3)用移液管将ti(oc4h9)4滴加到澄清溶液a中，得到混合溶液b，其中ti(oc4h9)4与步骤(2)中bi(no3)3·5h2o的摩尔比为3:4；

(4)将步骤(3)中的混合溶液b磁力搅拌后，再逐滴将naoh澄清溶液逐滴加到混合溶液b中，再于室温下搅拌混合均匀，得微波水热反应的na0.5bi0.5tio3前驱液；

(5)将步骤(4)中所得到的na0.5bi0.5tio3前驱液放入反应釜中，再将反应釜放入微波水热平行合成仪中进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为20min，反应功率为300w；本优选实例中反应釜的填充率为36％。

(6)待微波水热平行合成仪中温度降至室温，压力降为0时，取出反应釜，将反应釜中的沉淀物先用去离子水洗涤4次，再用无水乙醇洗涤4次后，80℃下进行恒温干燥、过300目筛后得到所需要的立方na0.5bi0.5tio3粉体。

实例4

本发明一种低温下快速制备立方na0.5bi0.5tio3粉体的方法，包括如下步骤，(1)配置naoh澄清溶液，溶液中，naoh的浓度为10mol/l；

(2)配置bi(no3)3·5h2o溶液，溶液中，bi(no3)3·5h2o的浓度为0.15mol/l，并向溶液中滴入适量的硝酸，持续搅拌至bi(no3)3·5h2o完全溶解，得到澄清溶液a；本优选实例中所用硝酸为1ml；

(3)用移液管将ti(oc4h9)4滴加到澄清溶液a中，得到混合溶液b，其中ti(oc4h9)4与步骤(2)中bi(no3)3·5h2o的摩尔比为3:5；

(4)将步骤(3)中的混合溶液b磁力搅拌后，再逐滴将naoh澄清溶液逐滴加到混合溶液b中，再于室温下搅拌混合均匀，得微波水热反应的na0.5bi0.5tio3前驱液；

(5)将步骤(4)中所得到的na0.5bi0.5tio3前驱液放入反应釜中，再将反应釜放入微波水热平行合成仪中进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为25min，反应功率为360w；本优选实例中反应釜的填充率为36％。

(6)待微波水热平行合成仪中温度降至室温，压力降为0时，取出反应釜，将反应釜中的沉淀物先用去离子水洗涤5次，再用无水乙醇洗涤6次后，80℃下进行恒温干燥、过300目筛后得到所需要的立方na0.5bi0.5tio3粉体。

实例5

本发明一种低温下快速制备立方na0.5bi0.5tio3粉体的方法，包括如下步骤，(1)配置naoh澄清溶液，溶液中，naoh的浓度为16mol/l；

(2)配置bi(no3)3·5h2o溶液，溶液中，bi(no3)3·5h2o的浓度为0.1mol/l，并向溶液中滴入适量的硝酸，持续搅拌至bi(no3)3·5h2o完全溶解，得到澄清溶液a；本优选实例中所用硝酸为2ml；

(3)用移液管将ti(oc4h9)4滴加到澄清溶液a中，得到混合溶液b，其中ti(oc4h9)4与步骤(2)中bi(no3)3·5h2o的摩尔比为1:2；

(4)将步骤(3)中的混合溶液b磁力搅拌后，再逐滴将naoh澄清溶液逐滴加到混合溶液b中，再于室温下搅拌混合均匀，得微波水热反应的na0.5bi0.5tio3前驱液；

(5)将步骤(4)中所得到的na0.5bi0.5tio3前驱液放入反应釜中，再将反应釜放入微波水热平行合成仪中进行水热反应，反应温度为180℃，反应时间为20min；，反应功率为360w；本优选实例中反应釜的填充率为36％。

(6)待微波水热平行合成仪中温度降至室温，压力降为0时，取出反应釜，将反应釜中的沉淀物先用去离子水洗涤5次，再用无水乙醇洗涤6次后，80℃下进行恒温干燥、过300目筛后得到所需要的立方na0.5bi0.5tio3粉体。

将产物通过x射线衍射(xrd)分析进行相鉴定，获得相纯度高的na0.5bi0.5tio3粉体，其中，naoh溶液的浓度为16时的na0.5bi0.5tio3粉体xrd图谱如图1所示。在上述naoh溶液的浓度取16时，将产物通过场发射扫描电子显微镜(sem)进行形貌观察，最后得到分布均匀的立方na0.5bi0.5tio3粉体，如图2所示。