CN103265075B - 一种多级结构钛酸铋微球的制备方法 - Google Patents

一种多级结构钛酸铋微球的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，该钛酸铋微球由纳米方片自组装而成。其制备方法如下：先将五水硝酸铋、钛酸丁酯溶于乙二醇甲醚中，然后再往其中加入十六烷基三甲基溴化铵，溶解后再加入氢氧化钠水溶液，得到白色沉淀。将上述沉淀置于聚四氟乙烯内衬中，然后将该内衬装入不锈钢反应釜中，将封装好的反应釜置于干燥箱中恒温加热一段时间，反应后的产物经过清洗、烘干，得到由纳米方片自组装而成的多级结构钛酸铋微球。本发明所制备的多级结构钛酸铋微球为以纳米材料为基础构筑微纳米器件提供了新的途径，并且在药物输送、高性能催化载体材料等方面具有重要的应用前景。

Description

一种多级结构钛酸铋微球的制备方法
技术领域
本发明属于无机材料制备领域，特别是涉及一种多级结构钛酸铋微球的制备方法。
背景技术
由于材料的物理和化学性质依赖于它们的形貌和结构，近年来人们对各种形态结构的微纳米材料进行了大量研究。铁电材料是一类重要的功能材料，具有铁电、压电、热释电、电光和非线性光学等性能，可用于制作铁电存储器、微波相移器、传感器、制动器和红外探测器等重要的微电子和光电子元器件。到目前为止，新形貌的简单钙钛矿结构铁电微纳米结构不断被制备出来，如PbTiO3、BaTiO3、SrTiO3纳米点、纳米线、纳米管以及碗状、刺果状、树枝状等微纳米结构。
钛酸铋(Bi4Ti3O12)是一种复杂铋层状钙钛矿结构的铁电材料，它具有介电常数低、居里温度及极化强度高、机电耦合系数各向异性明显、绝缘强度高而老化率低等优异性能，是最具有潜力替代含铅铁电材料的候选材料之一。并且，它还具有优异的光催化性能，在新型能源和环境保护方面有着重要的潜在应用。随着科技的进步，人们对纳米材料的研究不断深入，研究发现尽管纳米材料具有诸多独特性质，但是单一结构的纳米材料性能势必单一，不能满足先进材料的多功能需求。而通过对不同结构与组成的纳米材料进行复合组装，可以获得具有特定功能的材料。与单一组成的纳米材料相比，多级复合纳米材料在性能上更加多元化。具有多级结构的无机材料在许多方面具有巨大的应用潜力，包括光电子器件、气敏传感器、药物输送、活性物质封装、离子嵌插、表面官能化、催化剂载体及尺寸选择性反应等。因此，多级结构比单一组分的纳米结构具有明显的应用优势，多级结构复合纳米材料的制备、表征与应用已成为纳米材料与纳米化学的研究前沿与热点。
目前，钛酸铋纳米纤维、纳米管、纳米棒等简单的一维纳米结构已经被制备出来，而复杂的自组装多级三维结构还较难制备。为此探索简单有效而低成本的多级结构钛酸铋微纳米材料的合成方法，研究其形成机理、分析其组成、结构及性能之间的相关性显得尤为重要。而且可以为以纳米材料为基础构筑的微纳米器件提供了新的途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、设备低廉、并能制备出尺寸分布均匀、新颖的钛酸铋微球的新方法。
本发明的目的是通过下述工艺步骤实现的：
一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于该方法包括如下几个步骤：
第一步：将五水硝酸铋和钛酸丁酯溶于乙二醇甲醚中，制备钛酸铋前驱体溶液；
第二步：将十六烷基三甲基溴化铵加入到第一步制备的溶液中，搅拌至溶解；
第三步：将氢氧化钠水溶液加入第二步制得的溶液中，得到白色沉淀；继续搅拌至混合均匀，转移到聚四氟乙烯内衬中，然后将该内衬装入不锈钢反应釜中加热反应；
第四步：反应完成后将产物自然冷却至室温后，倒掉上层清液，将底部的沉淀清洗后放入真空干燥箱中干燥。
一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，第一步中加入的五水硝酸铋的浓度为0.1-1.0mol/L。
一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，第一步中加入的五水硝酸铋的浓度为0.15-0.6mol/L。
一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，第一步中制得的钛酸铋前驱体溶液的浓度为0.05～0.2mol/L。
一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，第二步中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.1～0.15mol/L。
一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，第三步中氢氧化钠水溶液的浓度为3～5mol/L；第二步中溶液与第三步中氢氧化钠水溶液的体积比为3:1～2:1；第三步的反应温度为180～220℃、反应时间为18～24h。
一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，第四步的清洗方法为用蒸馏水，乙醇多次清洗。
一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，第四步中，在80℃真空干燥箱中干燥12h。
本发明所述的多级结构钛酸铋微球的制备方法具有工艺简单、设备低廉、操作方便、产物尺寸分布均匀等优点。本发明所制备的多级结构钛酸铋微球为以纳米材料为基础构筑微纳米器件提供了新的途径，并且在药物输送、高性能催化载体材料等方面具有重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施案例1得到的多个多级结构钛酸铋微球的扫描电镜照片。
图2为本发明实施案例2得到的单个多级结构钛酸铋微球的扫描电镜照片。
图3为本发明实施案例3得到的多级结构钛酸铋微球的X射线衍射图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
第一步：将0.2mol/L五水硝酸铋和0.15mol/L钛酸丁酯溶于乙二醇甲醚中；
第二步：将0.1mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶于第一步获得的溶液中，加乙二醇甲醚至15ml；
第三步：将3mol/L氢氧化钠溶于去离子水中，配制5ml氢氧化钠水溶液；
第四步：将第三步制得的溶液加入到第二步的氢氧化钠水溶液中，得到白色沉淀，继续搅拌5h，转移到聚四氟乙烯内衬中，然后将该内衬装入不锈钢反应釜中，加热到180℃反应24h，反应完成后自然冷却至室温后，倒掉上层清液，将底部的沉淀用蒸馏水，乙醇多次清洗，放入真空干燥箱中80℃干燥12h，获得多级结构钛酸铋微球。
实施例2
第一步：将0.4mol/L五水硝酸铋和0.3mol/L钛酸丁酯溶于乙二醇甲醚中；
第二步：将0.12mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶于步骤(1)的溶液中，加乙二醇甲醚至14ml；
第三步：将4mol/L氢氧化钠溶于去离子水中，配制6ml氢氧化钠水溶液；
第四步：将第三步制得的溶液加入到第二步的氢氧化钠水溶液中，得到白色沉淀，继续搅拌5h，转移到聚四氟乙烯内衬中，然后将该内衬装入不锈钢反应釜中，加热到200℃反应20h，反应完成后自然冷却至室温后，倒掉上层清液，将底部的沉淀用蒸馏水，乙醇多次清洗，放入真空干燥箱中80℃干燥12h，获得多级结构钛酸铋微球。
实施例3
第一步：将0.8mol/L五水硝酸铋和0.6mol/L钛酸丁酯溶于乙二醇甲醚中；
第二步：将0.15mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶于第一步的溶液中，加乙二醇甲醚至15ml；
第三步：将5mol/L氢氧化钠溶于去离子水中，配制5ml氢氧化钠水溶液；
第四步：将第三步制得的溶液加入到第二步的氢氧化钠水溶液中，得到白色沉淀，继续搅拌5h，转移到聚四氟乙烯内衬中，然后将该内衬装入不锈钢反应釜中，加热到220℃反应18h，反应完成后自然冷却至室温后，倒掉上层清液，将底部的沉淀用蒸馏水，乙醇多次清洗，放入真空干燥箱中80℃干燥12h，获得多级结构钛酸铋微球。
实施例4
将0.12mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶解到钛酸铋前驱体溶液中，其余同实施案例1，获得多级结构钛酸铋微球。
实施例5
将0.15mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶解到钛酸铋前驱体溶液中，其余同实施案例1，获得多级结构钛酸铋微球。
实施例6
将0.1mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶解到钛酸铋前驱体溶液中，其余同实施案例2，获得多级结构钛酸铋微球。
实施例7
将0.15mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶解到钛酸铋前驱体溶液中，其余同实施案例2，获得多级结构钛酸铋微球。
实施例8
将0.1mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶解到钛酸铋前驱体溶液中，其余同实施案例3，获得多级结构钛酸铋微球。
实施例9
将0.12mol/L十六烷基三甲基溴化铵溶解到钛酸铋前驱体溶液中，其余同实施案例3，获得多级结构钛酸铋微球。

Claims (8)

1.一种多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于该方法包括如下几个步骤：
第一步：将五水硝酸铋和钛酸丁酯溶于乙二醇甲醚中，制备钛酸铋前驱体溶液；
第二步：将十六烷基三甲基溴化铵加入到第一步制备的溶液中，搅拌至溶解；
第三步：将氢氧化钠水溶液加入第二步制得的溶液中，得到白色沉淀；继续搅拌至混合均匀，转移到聚四氟乙烯内衬中，然后将该内衬装入不锈钢反应釜中加热反应；
第四步：反应完成后将产物自然冷却至室温后，倒掉上层清液，将底部的沉淀清洗后放入真空干燥箱中干燥。
2.根据权利要求1所述的多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于：第一步中加入的五水硝酸铋的浓度为0.1-1.0mol/L。
3.根据权利要求1所述的多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于：第一步中加入的五水硝酸铋的浓度为0.15-0.6mol/L。
4.根据权利要求1所述的多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于：第一步中制得的钛酸铋前驱体溶液的浓度为0.05～0.2mol/L。
5.根据权利要求1所述的多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于：第二步中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.1～0.15mol/L。
6.根据权利要求1所述的多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于：第三步中氢氧化钠水溶液的浓度为3～5mol/L；第二步中溶液与第三步中氢氧化钠水溶液的体积比为3:1～2:1；第三步的反应温度为180～220℃，反应时间为18～24h。
7.根据权利要求1所述的多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于：第四步的清洗方法为分别用蒸馏水、乙醇多次清洗。
8.根据权利要求1所述的多级结构钛酸铋微球的制备方法，其特征在于：第四步中，80℃真空干燥箱中干燥12h。
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