一种取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法与流程

本发明属于纳米陶瓷材料的制备技术领域，具体而言，涉及一种取向性钛酸钡锶纳米多晶的制备技术。

背景技术：

钛酸钡(bt)具有优异的压电、介电和铁电性能，在微电子以及光电子领域具有广泛的运用，例如多层陶瓷电容器(mlcc)，铁电随机存取储存器(fram)和铁电场效应晶体管(fdram)等。钛酸钡锶是在bt基础上引入相同主族的碱土金属阳离子制备而得，其晶胞在bt基础上产生了更大的应变，以至于在压电、介电等性能上获得了较大改善，可以用来制备具有较高性能输出的陶瓷、微电子器件，因此钛酸钡锶是一种重要的功能材料。

钛酸钡锶化学式为baxsr1-xtio3(缩写为bst)，是通过在tio6八面体形成的空位或ba²⁺位由一定量的sr²⁺占据获得的。目前合成钛酸钡锶的方法有很多，包括高温固相烧结法，溶胶-凝胶法和水热合成法。高温固相烧结法是将按照比例混合的固体反应原料，采用研磨方法混匀后在高温下烧结制备的方法。高温固相烧结法生产钛酸钡锶的主要原料是碳酸钡、碳酸锶和二氧化钛。由于该方法成本低，产量高，因此仍是合成钛酸钡粉体的重要方法。然而，该方法所得到的钛酸钡锶产物纯度不够高，粉体颗粒尺寸大，不能对产物形貌和掺杂sr元素量进行精确控制。

溶胶-凝胶法是以液相反应为基础，将金属醇盐或者无机醇水解，使之溶胶凝胶化后，干燥并烧结得到粉体的一种方法。与传统的固相烧结法相比，这种方法得到的钛酸钡锶纯度高，粉体尺寸小。但是仍然无法精准控制钛酸钡锶的组分比例，获得的钛酸钡锶晶体也不具有取向性，无法满足实验科研领域对取向性多晶材料开发的具体需求。

水热合成法制备钛酸钡锶是通过在等静压条件下合成钛酸钡锶，这种方法一般需要在特定的反应釜中进行，通过调节反应温度、压力以及原料组成，对得到的钛酸钡锶进行形貌调控。然而，水热合成法得到的钛酸钡锶晶体粒径一般大于500nm，且无法控制钛酸钡锶之间的相互排列，这极大限制了该方法的应用。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种可控制备取向性钛酸钡锶纳米多晶的方法。采用本发明制备的钛酸钡锶纳米材料，具有无毒、价格低廉、性能稳定、吸附力强等特点。

具体地，为了实现本发明的上述技术目的，发明人通过大量试验研究并不懈探索，最终获得了如下技术方案：

一种取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)以koh、lioh和tio2为原料，在水-乙醇体系进行溶剂热反应，反应温度为100-200℃，反应时间为6-72h，所述的水-乙醇体系由水与乙醇按体积比为1:(4-6)混合而成，反应结束后抽滤，洗涤，干燥，得到粉末状钛酸钾；

(2)将步骤(1)得到的k0.8li0.27ti1.73o4，与酸液进行离子交换反应，用h⁺交换k⁺，抽滤，洗涤，干燥，得到粉末状h2ti2no2n+1；

(3)将步骤(2)得到的h2ti2no2n+1进行一步水热反应或两步水热反应，反应结束后抽滤，洗涤，干燥，得到粉末状取向性钛酸钡锶纳米多晶；

所述的一步水热反应的方法为：将步骤(2)得到的h2ti2no2n+1与氢氧化钡、氢氧化锶水溶液混合，其中h2ti2no2n+1、氢氧化钡、氢氧化锶按照ti：ba：sr摩尔比为1：(0.2～0.6)：(0.4～0.8)，进行一步水热反应，反应温度为120-250℃，反应时间为8-18h；

所述的两步水热反应的方法为：将步骤(2)得到的h2ti2no2n+1与氢氧化钡按照ti：ba摩尔比为1：(0.2～0.6)混合后进行第一步水热反应，反应温度为120-200℃，反应时间为11-13h，反应结束后抽滤，洗涤，干燥后得到粉末状bt/h2ti2no2n+1；将bt/h2ti2no2n+1与氢氧化锶按照ti：sr＝1:(2～6)的摩尔比混合后进行第二步水热反应，反应温度为140-220℃，反应时间为10-15h。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中步骤(1)-(4)中所述的干燥步骤的方法为：于鼓风干燥箱中20-80℃干燥，干燥时间为6～48h。再进一步优选地，步骤(2)中干燥的温度为20-60℃，干燥时间为12～48h；步骤(3)一步水热反应后产物干燥的温度为30-50℃，干燥时间为12～24h；步骤(3)两步水热反应后产物干燥的温度为50-80℃，干燥时间为6～12h。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中步骤(1)中反应温度为130-160℃，反应时间优选为18-30h。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中步骤(2)中所述的酸液为硝酸溶液，所述的硝酸溶液的浓度为0.2～0.5mol/l。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中所述的一步水热反应中，反应温度为150-200℃，反应时间为10-15h。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中所述的两步水热反应中，第一步水热反应温度为130-160℃，反应时间为11-13h。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中所述的两步水热反应中，第二步水热反应温度为150-200℃，反应时间为10-13h。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中步骤(1)、(2)中采用去离子水洗涤反应产物。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中所述的一步水热反应结束后，采用0.3-0.6mol/l醋酸和去离子水交替洗涤反应产物，交替洗涤2-3次。

进一步优选地，如上所述的取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备方法，其中所述的两步水热反应结束后，采用0.1-0.2mol/l醋酸和去离子水交替洗涤反应产物，交替洗涤2-3次。

与现有技术相比，本发明以溶剂热法制备的钛酸钾为反应模板，首先与硝酸进行离子交换反应得到h2ti2no2n+1；h2ti2no2n+1与氢氧化钡水溶液、氢氧化锶水溶液混合进行一步水热反应，或h2ti2no2n+1与分别与氢氧化钡水溶液、氢氧化锶水溶液进行两步水热反应，得到取向性钛酸钡锶纳米多晶。用本发明制备的钛酸钡锶纳米多晶具有相同的晶轴取向，其分子组成为baxsr1-xtio3，可以实现x＝0.34～0.63可控制备，且具有无毒、价格低廉等特点。在日常应用中不仅不会产生污染，并且因其具有较强的吸附能力而吸附污染源，可应用于层电容器、热敏电阻、光电设备、机电设备、传感器、动态随机存储器和领域效应晶体管等方面。其具有如下优点和显著的进步性：

(1)通过溶剂热法制备的钛酸钾长、宽、厚度方向均为纳米级，利用钛酸钾进行酸交换后获得的h2ti2no2n+1同样保持了三个维度的纳米尺度。

(2)通过该方法制备的钛酸钡锶是由粒径不大于210nm的纳米晶体组成的，可应用于层电容器、热敏电阻、光电设备、机电设备、传感器、动态随机存储器和领域效应晶体管及其它微型器件等领域。

(3)通过该方法制备得到的钛酸钡锶纳米多晶可以通过调节制备参数，实现baxsr1-xtio3中x＝0.34～0.63的可控制备，整个制备过程具有高度可控性。

(4)通过该方法制备得到的钛酸钡锶纳米多晶在其选区电子衍射花样上呈现出单晶形式的电子衍射花样，表达出取向性钛酸钡锶纳米多晶的特点。

(5)制备过程中使用的模板与反应物以及制备产品产生的废液均不对环境和人体产生危害，具有无毒、价格低廉、吸附力强等特点。

附图说明

图1是溶剂热法制备的(a,c)钛酸钾晶体在酸交换前及其(b,d)发生酸交换反应后所得样品的(a,b)xrd图谱和(c,d)fe-sem图像。

图2是(a)h2ti2no2n+1晶体与ba(oh)2按照摩尔比1:0.6在(b,d)150℃和(c,e)200℃进行水热反应所得样品的(a-c)xrd图谱以及相应的(d,e)sem图像。

图3是(a)h2ti2no2n+1晶体与ba(oh)2按照摩尔比1:0.7在(b,d)150℃和(c,e)200℃进行水热反应所得样品的(a-c)xrd图谱以及相应的(d,e)sem图像。

图4是(a)h2ti2no2n+1晶体在ba(oh)2和sr(oh)2混合溶液中于150℃进行一步水热反应12h后所得样品的(a-d)xrd图谱和(e-g)sem图像以及对应的eds能谱数据。其中ti:ba摩尔比为1:0.5，ti:sr的摩尔比为(b,e)1:0.5、(c,f)1:0.6和(d,g)1:0.7。

图5是(a)h2ti2no2n+1晶体在ba(oh)2和sr(oh)2混合溶液中于200℃进行一步水热反应12h后所得样品的(a-d)xrd图谱和(e-g)sem图像以及对应的eds能谱数据。其中ti:ba摩尔比为1:0.5，ti:sr的摩尔比为(b,e)1:0.5、(c,f)1:0.6和(d,g)1:0.7。

图6是第一步水热反应按照ti：ba＝1:0.6在150℃下反应获得的h2ti2no2n+1/bt纳米复合体与0.1mol·l^-1sr(oh)2水溶液在(a,d)150、(b,e)180和(c,f)200℃进行第二步水热反应后所得样品的(a-c)xrd图谱和(d-e)fe-sem图像以及对应的eds能谱数据。

图7是实际组成为ba0.46sr0.54tio3的钛酸钡锶纳米多晶的(a)tem图像，(b)hrtem图像以及(c)saed花样。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。另外，实施例中未注明具体技术操作步骤或条件者，均按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1：钛酸钾与h2ti2no2n+1晶体的制备

将3.06gkoh与0.36glioh、4.14gtio2放入50ml内衬中，加入5ml水和25ml乙醇，摇匀，于150℃反应24h，冷却后将产品过滤并使用大量水冲洗、抽滤、烘干。所得白色粉末为钛酸钾晶体。称取4.00g上述钛酸钾晶体放入500ml0.2mol·l^-1hno3溶液中，在磁力搅拌器上以500r·min^-1搅拌24h后，水洗、抽滤、烘干。以上步骤重复三次。即获得h2ti2no2n+1晶体。

结果分析：通过xrd和fe-sem对获得的钛酸钾晶体和h2ti2no2n+1晶体样品进行表征，结果如图1所示。在溶剂热反应后，tio2、koh和lioh的溶剂热反应产物显示出具有纤铁矿结构k0.8li0.27ti1.73o4的衍射峰特征(icddno.89-5420)。钛酸钾的xrd图谱中(图1a)，(020)、(110)、(130)、(041)、(061)和(151)晶面分别出现在2θ＝11.04、24.20、28.84、37.82、45.76和47.96°处。与固相法制备的k0.8li0.27ti1.73o4晶体不同，溶剂热法制备的k0.8li0.27ti1.73o4晶体主要暴露(020)、(130)和(151)晶面，这三个晶面的衍射峰呈现出较大的强度和尖锐的形态。就形貌而言，钛酸钾晶体在fe-sem图像上呈现出由厚度为21.16nm的纳米片聚集在一起形成的花球状形貌(图1c)。当ktlo进行酸交换反应后(图1b)，2θ＝11.04°处的(020)晶面向右移动，面间距减小到其它晶面中，(110)晶面的衍射峰强度增强，(130)晶面衍射峰减弱。钛酸钾除(020)晶面以外的其他晶面的衍射峰都向左发生了移动，面间距增大。这一现象表明在h⁺进行离子交换反应后，层间的k⁺和li⁺被取代。离子交换反应后的fe-sem图像显示出由纳米片聚集形成的更紧凑的花球形貌(图3d)，这一现象也解释了xrd图谱中(020)面间距减小的原因。此时，纳米片的厚度增加至21.28nm，表明由于h⁺的交换反应，在钛酸钾晶体转化为h2ti2no2n+1晶体的过程中层间距被打开，纳米尺度的层板状前驱体h2ti2no2n+1晶体成功获得。

实施例2：h2ti2no2n+1/bt纳米复合体的制备

h2ti2no2n+1/bt纳米复合体的制备。分别以ba/ti＝0.6和0.7的比例将h2ti2no2n+1晶体(0.1000g)与ba(oh)2分散在30ml水溶液中，在所需温度下进行水热处理12h。水热处理后，将得到的样品分别用0.2mol·l^-1乙酸溶液和蒸馏水洗涤、干燥。

结果分析：h2ti2no2n+1晶体和ba(oh)2水溶液以ba/ti＝0.6的比例在150℃进行反应(图2b、图2d)。xrd图谱中，归属于h2ti2no2n+1(020)晶面的衍射峰显示了较弱的强度，其它h2ti2no2n+1晶体的衍射峰都几乎消失不见，同时h2ti2no2n+1晶体的衍射峰均向左发生移动(图2a、图2b)。该现象表明不足量的ba²⁺与h2ti2no2n+1基质进行反应时，h2ti2no2n+1基质被消耗，层间距进一步增大。除了h2ti2no2n+1晶体的衍射峰之外，在其xrd图谱上位于2θ＝22.17、31.56和45.26°处分别出现了很弱的衍射峰，这三个衍射峰与立方相bt的出峰位置一致(icddno.74-1964)。这意味着h2ti2no2n+1/bt纳米复合体在150℃下被成功合成。当以ba/ti＝0.6在200℃反应时，xrd图谱与150℃反应时图谱的出峰情况发生了较大变化，h2ti2no2n+1(020)晶面的衍射峰几乎消失，位于2θ＝22.17、31.56、38.91、45.26、50.93和56.21°出现了尖锐的衍射峰，这些衍射峰分别对应于bt(100)、(110)、(111)、(200)、(210)和(211)晶面(图2c)。与此同时，150℃和200℃反应后产物之间的差异也可以通过形貌的变化看出(图2d、图2e)。150℃反应后的形貌仍然保持由纳米片聚集形成的花球状形貌，但纳米片的厚度增加到30.20nm(图2d)。200℃反应后的形貌发生了很大改变(图2e)。纳米片的厚度有所增加，平均厚度为37.02nm。由于纳米片的厚度增加，聚集成的花球状形貌演变成为由纳米片紧密堆积形成的立方体形貌。当水热反应中的ba/ti比增加到0.7时(图3)，在150℃反应后的xrd图谱上，不仅归属于h2ti2no2n+1晶体的位于2θ＝11.04°处的h2ti2no2n+1(020)晶面几乎不可见(图3)，其它的h2ti2no2n+1晶体的衍射峰也消失不见，此时的xrd图谱中也很难发现新相的生成。说明在这一条件下，这一条件下的产物是由非晶态物质组成的。当升高温度至200℃时，h2ti2no2n+1晶体的衍射峰完全消失，xrd图谱中除了典型的bt相的衍射峰外，多组衍射峰同时出现在这一条图谱中，这些多余的衍射峰被分配给h2ti2no2n+1晶体分解产物tio2，此时的物相是一个复杂的混合物组成的物相。0.7bt-150和0.7bt-200的形貌变化也非常显着。按照ba/ti＝0.7在150℃制备的纳米片厚度增加至38.99nm，并且致密的纳米片堆叠成立方体也更加致密(图3d)。除了在立方体中生长的纳米片的厚度增加至51.28nm之外，这一比例在200℃反应后具有许多平均粒径为750nm的立方体颗粒(图3e)。这一现象说明ba²⁺在hto-1基质的某些点位成核并长大，bt晶体得到了较好的生长。h2ti2no2n+1/bt纳米复合体被成功制备。

实施例3：钛酸钡锶纳米多晶的一步水热法制备

h2ti2no2n+1晶体(0.10g)与ba(oh)2(0.20g)以及一定量的sr(oh)2(摩尔比sr/ti＝0.5、0.6和0.7)在30ml溶液中于150和200℃直接进行反应12h获得bst纳米多晶。

结果分析：当h2ti2no2n+1晶体在150℃下与一定量的ba(oh)2和sr(oh)2进行水热反应时，归属于h2ti2no2n+1晶面的特征峰完全消失。新的xrd衍射峰出现在2θ＝22.49、32.05、39.54、45.96、51.78和57.14°，这些衍射峰可以分别归属于bst(100)、(110)、(111)、(200)、(210)和(211)晶面(icddno.39-1395)。图4b-d的每个xrd图谱反馈的出峰位置和峰强度几乎没有差异。但在形貌方面存在一些差异。当h2ti2no2n+1晶体与ba(oh)2和sr(oh)2以ba/ti＝0.5、sr/ti＝0.5的比例反应时，所得到的bst晶体仍然保持由纳米片聚集形成的花球状形貌，仍然可以清楚地看到宽度为280nm的纳米片。其能谱表明在这种条件下合成的bst纳米多晶的实际组成是ba0.52sr0.48tio3(图4e)。当sr/ti比例升高至0.6时，bst纳米多晶的sem图像显示纳米颗粒仍然按照纳米片的形态生长，此时片状基质的宽度为210nm。结果表明，当sr/ti比增加时，由于碱溶液浓度的增加，在h2ti2no2n+1基质上形成更细小的晶核。eds数据表明在这种条件下制备的bst纳米多晶的实际组成是ba0.51sr0.49tio3(图4f)。当sr/ti比例继续增加到0.7时，具有仅180nm宽度的更细小的晶体组成纳米片的形态呈现在fe-sem图像中，bst纳米多晶的组成为ba0.51sr0.49tio3(图4g)。结果表明，在水热反应中增加碱溶液的浓度有利于形成更多的bst晶核，进而在基质上形成bst纳米多晶。上述结果说明bst晶体可以通过一步水热法在150℃下成功获得。

当温度升高至200℃来获得bst纳米多晶时(图5b-d)，产物的半峰宽持续增大，说明所得bst纳米多晶中sr的比例增加，bst纳米多晶的结晶性减弱。提高反应温度可以增加bst中sr的组分比例。在200℃下由sr/ti＝0.5、0.6和0.7制备的bst纳米多晶的组成分别为ba0.63sr0.37tio3、ba0.63sr0.37tio3和ba0.46sr0.54tio3(图5e-g)。结果表明，一步水热法可以成功制备纳米bst晶体。升高反应温度和增加反应物sr/ti比例可以增大bst纳米多晶中sr组分占比从而实现bst纳米多晶组成的细微调控。

实施例4：钛酸钡锶纳米多晶的两步水热法制备

将h2ti2no2n+1晶体与ba(oh)2按照ti：ba＝0.6在150℃进行第一步水热反应获得h2ti2no2n+1/bt纳米复合体0.10g与sr(oh)2按照ti：sr＝1:3分别在150、180和200℃下进行第二步水热反应12h后，抽滤、洗涤、烘干，获得bst纳米多晶。

结果分析：当第二步水热反应在150℃下进行时，样品的xrd图谱显示出与一步水热法相同的结果(图6a)。样品的形态没有变化，但其平均粒径减小到110nm(图6d)。eds结果表明，此时bst纳米晶的组成为ba0.34sr0.66tio3。当第二步水热反应的温度升至200℃时，样品的相(图6c)、形态和晶粒尺寸(图6f)没有变化。然而，随着反应温度升高，bst纳米晶体的组成发生变化，在该条件下获得的bst纳米晶体的组成为ba0.36sr0.64tio3(图6f)。bst纳米晶体中sr的比例进一步增强。在180℃反应后产物的物相组成与其他条件下产物的物相组成明显不同。除了bst晶体的衍射峰的出现之外，在bst衍射峰的左侧出现一组弱的衍射峰(图6b)。这些弱衍射峰可以归属于srtio3(icddno.74-1296，cubicsymmetry)。也就是说，在180℃下，两步水热反应不仅可以产生bst晶体，还可以产生srtio3晶体。以上结果表明，两步水热法也可以成功制备bst纳米晶体。h2ti2no2n+1/bt纳米复合体与过量sr(oh)2水溶液的反应可以增加bst纳米晶体中sr的比例。

实施例5：钛酸钡锶纳米多晶ba0.46sr0.54tio3的纳米结构表征

选择实际组成为ba0.46sr0.54tio3的bst纳米多晶，利用超声分散将样品分别分散并进行透射显微观察，以获得这些样品的晶体学特征进行探究。ba0.46sr0.54tio3的tem图像显示出多个宽度约为20nm的纳米晶体(图7a)。hrtem图像中，间距为2.79和的两组晶格条纹可以分别被归属为bst(110)和bst(200)晶面(图7b)。ba0.46sr0.54tio3纳米多晶的saed花样呈现单晶的衍射花样，以bst[1-1-2]作为晶带轴的倒易平面呈现在花样中。巧合的是，在倒易平面中发现的两组倒易点，一组可以归属于bst110另一组可以归属于bst200(图7c)。以上结果表明，ba0.46sr0.54tio3是由纳米晶体构成的多晶。这些多晶表达了相同的晶带轴，进一步说明bst纳米多晶是具有取向性的。

实施例6：取向性钛酸钡锶纳米多晶的可控制备

结合实施例1～5，可以根据上述实施例，按照取向性钛酸钡锶纳米多晶的获得方式、反应条件、实际组成、以及晶胞参数通过下表概括说明。在大量实验基础上，通过调节反应条件，实现了baxsr1-xtio3中x＝0.34～0.63的可控制备。