CN103332733A - 自蔓延燃烧法制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自蔓延燃烧制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法。所述的方法是：将钛的醇盐水解得到氢氧化氧钛，氢氧化氧钛溶于硝酸溶液得到硝酸氧钛；稀土硝酸盐、硝酸氧钛与氨基乙酸混合置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上加热使液体挥发；在搅拌下持续加热，当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到稀土钛酸盐蓬松粉末。本发明以氨基乙酸为燃料，利用稀土金属硝酸盐和氨基乙酸之间发生的氧化还原反应产生的热量自蔓延燃烧快速合成稀土钛酸盐纳米晶，通过调控硝酸根离子与氨基乙酸的摩尔比，可以实现对稀土钛酸盐的晶粒大小的调控。反应时间短，工艺简单、对环境友好、设备简单、生产周期短。

Description

自蔓延燃烧法制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米晶的制备技术领域，具体说涉及一种自蔓延燃烧法制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法。
背景技术
稀土钛酸盐是重要的化工产品，在光催化、光学、储能、铁电及磁性等诸多领域都有着广泛的应用和研究。目前合成稀土钛酸盐的方法主要有高温固相合成法、溶胶凝胶法、聚合络合法以及脉冲激光沉积等。但这些方法存在工艺复杂、对设备要求高、产量小、花费昂贵和耗时等缺点。因此发展一种经济实用的技术来合成稀土钛酸盐是十分必要的。
自蔓延燃烧法是一种快速合成复合氧化物纳米材料的新方法，其最大的优势在于节能（由自身反应提供合成所需的热能）、反应装置简单和合成的纳米晶具有高比表面积，能够一步快速合成具有均匀微观结构的高纯产物。而且通过调节自蔓延燃烧法中使用燃料的用量可以控制反应所放出的热量，从而来调变合成产物的晶粒尺寸。
发明内容
本发明目的在于提供一种工艺操作简单、制备时间短、所制得粉体化学组成均一、晶粒尺寸小且可控的自蔓延燃烧制备稀土钛酸盐纳米晶的方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
(1)将钛的醇盐加入适量水中，钛的醇盐与水的体积比为1：1～5，搅拌使钛的醇盐水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入8～16mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)将硝酸氧钛、稀土硝酸盐与氨基乙酸按1：1：0.5～5的摩尔比混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为200-400℃，在搅拌下使液体挥发。
(3)在搅拌下持续加热，当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末稀土钛酸盐。
所述的钛的醇盐是指钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯或钛酸四乙酯。
所述的稀土硝酸盐是指硝酸钕、硝酸钆、硝酸铒、硝酸镨、硝酸铈、硝酸镧、硝酸钐、硝酸铕或硝酸钇。
本发明有益效果：本发明采用自蔓延燃烧的方法，以氨基乙酸为燃料，利用稀土金属硝酸盐和氨基乙酸之间发生的氧化还原反应产生的热量自蔓延燃烧快速合成稀土钛酸盐纳米晶。通过调控硝酸根离子与氨基乙酸的摩尔比，可以实现对稀土钛酸盐的晶粒大小的调控。反应时间短，在搅拌下加热受热均匀，可以快速制备物相单一的稀土钛酸盐，此制备工艺简单、对环境友好、设备简单、生产周期短。
附图说明
图１是实施例１制备的钛酸钕的X射线衍射图。
图２是实施例１制备的钛酸钕的扫描电镜图。
图３是实施例１制备的钛酸钕的透射电镜图。
具体实施方式
本发明自蔓延燃烧法制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法，由以下的实施例给出。
实施例1
(1)将钛酸四丁酯10ml加入20ml水，搅拌使钛酸四丁酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入4.5ml 16mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：2的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸钕12.827g和氨基乙酸4.393g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为250℃，磁力搅拌的速度2500rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸钕(Nd2Ti2O7)，其平均晶粒大小约为28nm。
制备的钛酸钕(Nd2Ti2O7)的X射线衍射图、扫描电镜图及透射电镜图分别如图１、图２和图３所示。
实施例2
(1)将钛酸四丁酯10ml加入20ml水，搅拌使钛酸四丁酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入4.5ml 16mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：3的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸钕12.827g和氨基乙酸6.590g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为350℃，磁力搅拌的速度2500rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸钕(Nd2Ti2O7)，其平均晶粒大小约为41nm。
实施例3
(1)将钛酸四异丙酯5ml加入5ml水，搅拌使钛酸四异丙酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入5ml 8mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：2.5的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸钆7.574g与氨基乙酸3.149g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为300℃，磁力搅拌的速度2000rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸钆(Gd2Ti2O7)，其平均晶粒大小约为40nm。
实施例4
(1)将钛酸四乙酯8ml加入25ml水，搅拌使钛酸四乙酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入8ml 12mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：1.5的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸铒16.916克与氨基乙酸4.297克混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为350℃，磁力搅拌的速度1800 rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸铒(Er2Ti2O7)，其平均晶粒大小约为27 nm。
实施例5
(1)将钛酸四丁酯10ml加入30ml水，搅拌使钛酸四丁酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入7ml 10mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：2的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸镧12.670g和氨基乙酸4.393g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为280℃，磁力搅拌的速度2400rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸镧(La2Ti2O7)，其平均晶粒大小约为25nm。
实施例6
(1)将钛酸四异丙酯5ml加入10ml水，搅拌使钛酸四异丙酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入4ml 10mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：2.5的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸铈7.284g与氨基乙酸3.149g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为200℃，磁力搅拌的速度2200rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸铈(Ce2Ti2O7)，其平均晶粒大小约为42nm。
实施例7
(1)将钛酸四丁酯10ml加入20ml水，搅拌使钛酸四丁酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入4.5ml 16mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：2的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸镨9.568g和氨基乙酸4.393g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为400℃，磁力搅拌的速度2500rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸镨(Pr2Ti2O7)，其平均晶粒大小约为23nm。
实施例8
(1)将钛酸四丁酯5ml加入25ml水，搅拌使钛酸四丁酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入2.5ml 16mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：2的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸钐4.921g和氨基乙酸2.197g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为320℃，磁力搅拌的速度2000rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸钐(Sm2Ti2O7) ，其平均晶粒大小约为30 nm。
实施例9
(1)将钛酸四丁酯10ml加入20ml水，搅拌使钛酸四丁酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入7ml 10mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：2.5的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸铕13.052g和氨基乙酸5.491g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为380℃，磁力搅拌的速度2000rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸铕(Eu2Ti2O7) ，其平均晶粒大小约为39nm。
实施例10
(1)将钛酸四异丙酯5ml加入5ml水，搅拌使钛酸四异丙酯水解得到白色沉淀氢氧化氧钛，加入4ml 10mol·L-1硝酸溶液使沉淀完全溶解得到硝酸氧钛。
(2)按照1：1：3的摩尔比将上述硝酸氧钛溶液、硝酸钇6.428g与氨基乙酸3.779g混合后置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热，磁力搅拌器盘面温度为220℃，磁力搅拌的速度2300rpm，在搅拌下使液体挥发。
(3)当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末钛酸钇(Y2Ti2O7) ，其平均晶粒大小约为47nm。

Claims (6)

1.一种自蔓延燃烧制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法，其特征在于：
(1) 将钛的醇盐加入适量水中，水解得到氢氧化氧钛，氢氧化氧钛溶于8～16mol·L-1的硝酸溶液得到硝酸氧钛；
(2) 将稀土硝酸盐、硝酸氧钛与氨基乙酸混合置于蒸发皿中，将蒸发皿放在磁力搅拌器上边搅拌边加热使液体挥发；
(3) 在搅拌下持续加热，当火星出现时停止搅拌，火星迅速蔓延燃烧，最终在蒸发皿上得到蓬松粉末稀土钛酸盐。
2.根据权利要求1所述的自蔓延燃烧制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法，其特征是所述的稀土硝酸盐是指硝酸钕、硝酸钆、硝酸铒、硝酸镨、硝酸铈、硝酸镧、硝酸钐、硝酸铕或硝酸钇。
3.根据权利要求1所述的自蔓延燃烧制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法，其特征是钛的醇盐为钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯或钛酸四乙酯。
4.根据权利要求1所述的自蔓延燃烧制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法，其特征是所述的钛的醇盐加入适量水中进行水解时，钛的醇盐与水的体积比为1：1～5。
5.根据权利要求1所述的自蔓延燃烧制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法，其特征是稀土硝酸盐、硝酸氧钛与氨基乙酸的摩尔比为1：1：0.5～5。
6.根据权利要求1所述的自蔓延燃烧制备尺寸可控的稀土钛酸盐纳米晶的方法，其特征是使用的磁力搅拌器盘面温度为200～400℃。
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