一种钛酸钡纳米立方块材料及其制备方法和应用

1.本发明涉及纳米材料制备、太阳能利用与环境保护技术领域，具体涉及一种钛酸钡纳米立方块材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.压电材料能够实现电能与机械能之间的转换，在众多领域有着广阔的应用前景。其中钛酸钡作为重要的压电材料而受到大家的关注，具有钙钛矿相结构的钛酸钡是理想的研究压电效应的材料体系，但是由于其是由金属元素组成，钡元素和钛元素具有不同的活性，同时高温烧结也会带来化学计量比的变化，从而使晶粒尺寸细小、相组成单一的钛酸钡材料的获得显得尤为困难。
3.常用的制备钛酸钡的方法有固相烧结法，采用氧化物作为原料，辅助以其他的助熔成分，可以在高温烧结条件下获得钛酸钡材料，由于采用氧化物粉末作为原料，极大制约着其初始晶粒的大小，同时需要较高的温度使物质流的交换较为充分的进行，难以获得晶粒尺寸细小的纯相钛酸钡材料，也难以在原子尺度下对钛酸钡材料的化学组成进行调控。特别是外形规整的钛酸钡材料的获得，往往难以通过固相合成法来实现。因此，寻找一种工艺简单、操作简便的纯相钛酸钡材料的制备方法有着重要的科学意义和现实意义。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种钛酸钡纳米立方块材料及其制备方法和应用，采用溶胶凝胶的方法，在温和的酸碱条件下反应获得均匀凝胶体系，再结合煅烧工艺获得纯相的钛酸钡纳米材料。本发明解决了采用传统合成法制备钛酸钡材料时容易产生杂相、高温煅烧容易晶粒粗大等难题，制备获得的钛酸钡纳米晶体尺寸小于1微米，呈现出立方块形貌，在太阳光照射下能够用于光催化净化和气体转化领域。该钛酸钡纳米立方块材料不仅可用作一种光催化材料应用于太阳能的利用领域，同时还能作为一种模型材料用于钛酸钡压电性的研究。
5.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种钛酸钡纳米立方块材料，其为四方相的钛酸钡晶体，晶粒尺寸小于1微米，呈现立方块的形貌。
7.该纳米立方块材料禁带宽度在2.8-3.4ev之间。
8.所述钛酸钡纳米立方块材料的制备方法，包括如下步骤：
9.(1)配置前驱体溶液：将钛的酯类化合物溶解于冰乙酸溶液中获得溶液a，将含钡化合物溶解于醇水混合溶剂中，获得溶液b；
10.(2)溶胶凝胶反应：将溶液b加入溶液a中并搅拌均匀后，先在40-80℃温度下保温0.5-3小时，接着在80-120℃(优选85-110℃)温度下干燥6-24小时；
11.(3)煅烧分解：将步骤(2)获得干燥产物在800-1200℃温度条件下保温2-5小时，即得到所述钛酸钡纳米立方块材料。
12.上述步骤(1)中，所述溶液a中钛的酯类化合物浓度为0.2-2mol/l，所述钛的酯类化合物为钛酸四乙酯(钛酸乙酯)、钛酸异丙酯或钛酸丁酯(钛酸四丁酯)。
13.上述步骤(1)中，所述溶液b中含钡化合物的浓度为0.2-2mol/l，所述含钡化合物为氢氧化钡、乙酸钡、碳酸钡和氯化钡中的一种或几种。
14.上述步骤(1)中，所述冰乙酸溶液是由冰乙酸、醇和水混合而成，其中冰乙酸所占体积比例为10-20％，醇所占体积比例为30-60％，余量为水；所述醇水混合溶剂是由醇与水按照1：(0.5-3)的体积比例混合而成；所述醇为乙醇、丙醇和丁醇中的一种或几种。
15.上述步骤(2)溶胶凝胶反应过程中，溶液b中含钡化合物与溶液a中钛的酯类化合物的摩尔比例为1：(0.5-2)。
16.上述步骤(3)中，优选的煅烧温度为850-1100℃。
17.该纳米立方块材料在光照条件下具有高的载流子分离效率，可作为一种光催化材料用于环境净化和气体转化领域。
18.本发明的设计思想如下：
19.纯相的钛酸钡纳米材料较难制备，固相合成法获得的产物中容易含有杂相，且难以控制钛酸钡晶体的外观形貌。本发明采用温和的溶胶凝胶方法，限制钛酸钡晶体在煅烧过程中的晶粒长大，同时可以精确地控制元素的化学计量比，从而获得复合其晶体惯性生长的外形，合成所述的纯相钛酸钡纳米材料。
20.本发明的优点在于：
21.1.本发明通过温和的溶胶凝胶法调配元素比例，可以在一定程度上控制钛酸钡材料的化学组成。
22.2.本发明通过化学配比的精确控制使钛酸钡晶体能够进行惯性生长，获得立方块的外观形貌。。
23.3.本发明工艺流程简单、操作简便，能耗低，产量大，适合大批量生产。
24.4.本发明的钛酸钡材料晶粒尺寸细小，可以作为压电以及多场耦合功能陶瓷研究的理想模型。
附图说明
25.图1为实施例1和实施例2所制备的纳米级钛酸钡材料晶体结构表征xrd图；
26.图2为本发明制备的纳米级钛酸钡晶体的tem图；其中：(a)实施例1；(b)实施例2。
27.图3为实施例1制备的纳米级钛酸钡立方块材料紫外-可见光吸收曲线。
28.图4为实施例1制备的纳米级钛酸钡立方块材料在全光谱激发下，不同处理时间rhb的残留量与时间的关系图。
具体实施方式
29.以下结合附图和实施例详述本发明。
30.以下实施例中，所述钛的酯类化合物可以为钛酸四乙酯(钛酸乙酯)、钛酸异丙酯或钛酸丁酯(钛酸四丁酯)，含钡化合物可以为氢氧化钡、乙酸钡、碳酸钡和氯化钡中的一种或几种。所用醇水混合溶剂是由乙醇与水按照1：2的体积比例混合而成。所述溶液b中含钡化合物的浓度为1mol/l。
31.实施例1
32.本实施例四方相钛酸钡纳米材料的制备过程如下：
33.(1)取5ml冰乙酸(ch3cooh)与0.01mol钛酸四丁酯(c
16h36
o4ti)均匀混合。加入15ml乙醇(ch3ch2oh)混合，边搅拌边加入10ml去离子水获得溶液a，再取0.01mol ba(oh)2溶解于醇水混合溶剂中，获得溶液b；
34.(2)溶胶凝胶反应：将溶液b加入溶液a中搅拌均匀后，置于55℃温度下保温2小时，接着置于100℃温度下干燥15小时；
35.(3)煅烧分解：将步骤(2)获得产物在900℃温度下保温3小时，即得到所述钛酸钡纳米立方块材料(bto-1)。
36.图1中bto-1为本实施例制备的钛酸钡纳米材料的xrd图，由bto-1可以看出材料是纯净的四方相钛酸钡晶体，没有任何杂相。
37.图2(a)为本实施例制备的钛酸钡纳米材料tem图，由图2(a)可以看出所制备的钛酸钡晶体尺寸均一，分散性良好，呈现立方块的形貌。
38.图3为本实施例1制备的钛酸钡纳米材料的光吸收谱图，由图3可以看出钛酸钡纳米材料在紫外光的吸收区域表现了较强的光吸收性能。吸收带边在～375nm的位置，带隙约3.31ev。
39.图4为本实施例制备的钛酸钡纳米材料，由图中可见，在光照条件下钛酸钡纳米立方块材料能够分解有机物罗丹明b。
40.实施例2
41.本实施例钛酸钡纳米材料的制备过程如下：
42.(1)取10ml冰乙酸(ch3cooh)与0.02mol钛酸四丁酯(c
16h36
o4ti)均匀混合。加入30ml乙醇(ch3ch2oh)混合，边搅拌边加入20ml去离子水获得溶液a，再取0.02mol ba(oh)2溶解于醇水混合溶剂中，获得溶液b；
43.(2)溶胶凝胶反应：将溶液b加入溶液a中搅拌均匀后，置于60℃温度下保温2小时，接着置于95℃温度下干燥20小时；
44.(3)煅烧分解：将步骤(2)获得产物在1000℃温度下保温3小时，得到所述钛酸钡纳米立方块材料(bto-2)。
45.图1中bto-2为本实施例制备的钛酸钡纳米材料的xrd图，由bto-2可以看出材料是纯净的四方相钛酸钡晶体，没有任何杂相。
46.图2(b)为本实施例制备的钛酸钡纳米材料tem图，由图2(b)可以看出所制备的钛酸钡晶体分散性良好，呈现立方体的形貌。