CN104925869A - 铁酸铋粉体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁酸铋粉体的制备方法，用于解决现有方法制备的铁酸铋粉体气敏性能差的技术问题。技术方案是以五水硝酸铋和九水硝酸铁分别为铋源和铁源、乙二醇甲醚为溶剂、一水柠檬酸为螯合剂、乙酸为分散剂制备铁酸铋前驱体溶胶，室温老化获得凝胶，在一定温度下烘干得到粉体，将粉体进行热处理和煅烧后得到铁酸铋粉体。经测试，本发明方法制备的铁酸铋粉体材料具有良好的气体敏感性能，其气敏工作温度由背景技术的～500℃降低至～370℃，气敏响应恢复时间由背景技术的～180s降低至～10s，对气体检测的浓度要求从背景技术的900～2100ppm降低至5～300ppm。
Description
技术领域
本发明涉及一种粉体的制备方法，特别是涉及一种铁酸铋粉体的制备方法。
背景技术
随着环境大气污染问题的日趋严峻，使得人们除了在重视工业环境下的毒害气体检测外，又对食品安全、大气污染以及居住环境领域对有毒有害等挥发性有机物的检测提出了更多更高的要求。这使得各种具有气体敏感性能的材料逐渐成为当前研究的热点，而由于不同气敏材料对不同气体具有选择性且敏感程度不同，因此，探索更多具有良好气敏性的新型材料对扩展和丰富人们在不同领域的选择应用具有极大的意义。当前除了常见的二元半导体金属氧化物及其掺杂材料之外，部分具有钙钛矿结构的三元半导体氧化物也表现出优良的气敏性而引起了研究者的重视，在这其中，属于空穴导电机制的窄带隙铁酸铋半导体材料的铁酸铋也表现出一定程度的气敏性能，是一种有潜力的气敏材料。
文献“Dziubaniuk,et al.Application of bismuth ferrite protonic conductorfor ammonia gas detection.Sensors and Actuators B:Chemical,2013,188:957-964.”报道了采用传统的固相反应合成法制备了铁酸铋材料，虽然得到了对氨气具有敏感性的铁酸铋材料，但其对工作温度要求高，需要在500℃左右温度下工作测试，这在实际应用中不利于降低气敏元件的能量消耗且会降低元件工作寿命；而且其对气体检测的响应和恢复时间很长，约为180秒，较长的气体响应恢复时间不利于实际应用中有害气体的快速检测；此外其对气体检测的浓度下限要求高，测试范围为900～2100ppm，这不利于实际应用中对低浓度有害气体的检测。
发明内容
为了克服现有方法制备的铁酸铋粉体气敏性能差的不足，本发明提供一种铁酸铋粉体的制备方法。该方法以五水硝酸铋和九水硝酸铁分别为铋源和铁源、乙二醇甲醚为溶剂、一水柠檬酸为螯合剂、乙酸为分散剂制备铁酸铋前驱体溶胶，室温老化获得凝胶，在一定温度下烘干得到粉体，将粉体进行热处理和煅烧后得到铁酸铋粉体。经测试，本发明方法制备的铁酸铋粉体材料具有良好的气体敏感性能，其气敏工作温度由背景技术的～500℃降低至～370℃，气敏响应恢复时间由背景技术的～180s降低至～10s，对气体检测的浓度要求从背景技术的900～2100ppm降低至5～300ppm。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铁酸铋粉体的制备方法，其特点是采用以下步骤：
步骤一、将五水硝酸铋溶解到乙酸中形成浓度为1～1.6g/mL的溶液A；
步骤二、将九水硝酸铁溶解到乙二醇甲醚中形成浓度为0.8～1.2g/mL的溶液B；
步骤三、将一水柠檬酸溶解到乙二醇甲醚中形成浓度为0.2～0.4g/mL的溶液C，所述五水硝酸铋:九水硝酸铁:一水柠檬酸的总摩尔比为1:1:1～1:1:1.2；
步骤四、将步骤二得到的溶液B加入到持续搅拌着的步骤一得到的溶液A中，搅拌混合均匀得到溶液D；
步骤五、将步骤三得到的溶液C加入到持续搅拌着的步骤四得到的溶液D中，搅拌混合均匀放置陈化22～26h得到铁酸铋前驱体溶胶；
步骤六、将步骤五得到的铁酸铋溶胶置于80～90℃烘箱中干燥22～26h得到铁酸铋凝胶；
步骤七、将步骤六得到的铁酸铋凝胶在马弗炉中进行热处理预烧结去除有机物，热处理温度450～550℃，处理时间为1～3h，得到铁酸铋预烧粉末；
步骤八、将步骤七得到的铁酸铋预烧粉末在马弗炉中进行二次烧结，烧结温度为750～850℃，烧结时间为1～3h，得到铁酸铋粉体。
本发明的有益效果是：该方法以五水硝酸铋和九水硝酸铁分别为铋源和铁源、乙二醇甲醚为溶剂、一水柠檬酸为螯合剂、乙酸为分散剂制备铁酸铋前驱体溶胶，室温老化获得凝胶，在一定温度下烘干得到粉体，将粉体进行热处理和煅烧后得到铁酸铋粉体。经测试，本发明方法制备的铁酸铋粉体材料具有良好的气体敏感性能，其气敏工作温度由背景技术的～500℃降低至～370℃，气敏响应恢复时间由背景技术的～180s降低至～10s，对气体检测的浓度要求从背景技术的900～2100ppm降低至5～300ppm。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明方法实施例1～3所制备铁酸铋粉体的X射线衍射图谱。
图2是本发明方法实施例2所制备铁酸铋粉体的气敏传感器在不同工作温度下暴露在100ppm的酒精气体中的响应恢复曲线。
图3是本发明方法实施例2所制备铁酸铋粉体的气敏传感器在不同工作温度下暴露在100ppm的酒精气体中的响应灵敏度。
图4是本发明方法实施例2所制备铁酸铋粉体的气敏传感器在370℃最佳工作温度下暴露在不同浓度酒精气体中(5～300ppm)的响应恢复曲线。
具体实施方式
参照图1-4。
实施例1：
1、将五水硝酸铋溶解到乙酸中形成浓度为1g/mL的溶液A；
2、将九水硝酸铁溶解到乙二醇甲醚中形成浓度为0.8g/mL的溶液B；
3、将一水柠檬酸溶解到乙二醇甲醚中形成浓度为0.2g/mL的溶液C，上述五水硝酸铋：九水硝酸铁：一水柠檬酸的总摩尔比为1:1:1；
4、将步骤2中得到的B溶液加入到持续搅拌着的步骤1中得到的A溶液中，搅拌混合均匀得到溶液D；
5、将步骤3中得到的溶液C加入到持续搅拌着的步骤4中得到的D溶液中，搅拌混合均匀放置陈化22h得到铁酸铋前驱体溶胶；
6、将步骤5得到的铁酸铋溶胶置于80℃烘箱中干燥26h得到铁酸铋凝胶；
7、将步骤6得到的铁酸铋凝胶在马弗炉中进行热处理预烧结去除有机物，热处理温度450℃，处理时间为3h，得到铁酸铋预烧粉末；
8、将步骤7得到的铁酸铋预烧粉末在马弗炉中进行二次烧结，烧结温度为750℃，烧结时间为3h，得到铁酸铋粉体。
制备的铁酸铋粉末的物相结构用X射线衍射谱分析，其仪器型号为帕纳科公司的X’Pert PRO MPD，测试结果如图1(a)，从图中可以看出制备的样品物相为单相钙钛矿结构的铁酸铋纯相。
实施例2：
同实施例1，区别在于步骤1中溶液A的浓度为1.3g/mL；步骤2中溶液B的浓度为1g/mL；步骤3中溶液C的浓度为0.3g/mL，五水硝酸铋：九水硝酸铁：一水柠檬酸的总摩尔比为1:1:1.1；步骤5中陈化时间为24h；步骤6中烘箱温度为85℃，烘干时间为24h；步骤7中热处理温度为500℃，处理时间为2h；步骤8中烧结温度为800℃，处理时间为2h；
制备的铁酸铋粉末的物相结构用X射线衍射谱分析，其仪器型号为帕纳科公司的X’Pert PRO MPD，测试结果如图1(b)，从图中可以看出制备的样品物相为单相钙钛矿结构的铁酸铋纯相。将适量的铁酸铋粉体与黏合剂松油醇研磨混合形成浆料，将浆料涂覆于带有铂金电极的氧化铝陶瓷管上，晾干后于马弗炉中550℃煅烧2h去除黏合剂，然后将其与穿过其中的加热丝一并焊接在气敏元件底座上，在300℃老化10天，得到性能稳定的气敏元件。元件的气敏性能在HW-30A(河南汉威)气敏元件测试系统上进行气敏性能测试。为了得到该元件的最佳工作温度，测试了铁酸铋气敏传感器在不同工作温度下暴露在100ppm的酒精气体中的响应恢复曲线，测试结果如图2。从图中可以看出制备的铁酸铋气敏元件在260～430℃均具有良好的气体敏感特性，置于还原性气氛乙醇气体下电阻相较于空气气氛下有显著且快速的增加，重新置于空气气氛下电阻值迅速恢复，这说明其有着快速的气体敏感响应恢复速度。其响应恢复速度约为10s，这相对于背景技术的180s有着大幅度的提升。根据测试数据计算了铁酸铋气敏传感器在不同工作温度下暴露在100ppm的酒精气体中的响应灵敏度，计算结果如图3，从图中可以看出传感器在370℃附近的灵敏度最高，说明其最佳工作温度在370℃附近相较于背景技术的500℃有明显下降，这在实际应用中有助于降低气敏元件的能量消耗，延长元件工作寿命。测试了铁酸铋气敏传感器在370℃最佳工作温度不同酒精气体浓度下(5到300ppm)的响应恢复曲线，测试结果如图4，从图中可以看出所制备的铁酸铋气敏传感器即使在气体浓度较低的情况下依然表现出明显的气敏特性，这说明该气敏元件对气体检测的浓度范围下限大幅优于背景技术中的900～2100ppm。
实施例3：
同实施例1，区别在于步骤1中溶液A的浓度为1.6g/mL；步骤2中溶液B的浓度为1.2g/mL；步骤3中溶液C的浓度为0.4g/mL，五水硝酸铋：九水硝酸铁：一水柠檬酸的总摩尔比为1:1:1.2；步骤5中陈化时间为26h；步骤6中烘箱温度为90℃，烘干时间为22h；步骤7中热处理温度为550℃，处理时间为1h；步骤8中烧结温度为850℃，处理时间为1h；
制备的铁酸铋粉末的物相结构用X射线衍射谱分析，其仪器型号为帕纳科公司的X’Pert PRO MPD，测试结果如图1(c)，从图中可以看出制备的样品物相为单相钙钛矿结构的铁酸铋纯相。
本发明提供了一种制备具有气体敏感特性的铁酸铋粉体的方法，具体为溶胶凝胶法制备铁酸铋粉体。利用该方法制备的铁酸铋粉体材料具有良好的气体敏感性能，其气敏元件工作温度较低、响应恢复速度快且气体浓度检测下限低。因此本发明的铁酸铋粉体可以满足对有毒有害挥发性有机物气体传感方面的使用要求，其制备方法适合工业化推广和大批量生产。
Claims (1)
1.一种铁酸铋粉体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将五水硝酸铋溶解到乙酸中形成浓度为1～1.6g/mL的溶液A；
步骤二、将九水硝酸铁溶解到乙二醇甲醚中形成浓度为0.8～1.2g/mL的溶液B；
步骤三、将一水柠檬酸溶解到乙二醇甲醚中形成浓度为0.2～0.4g/mL的溶液C，所述五水硝酸铋:九水硝酸铁:一水柠檬酸的总摩尔比为1:1:1～1:1:1.2；
步骤四、将步骤二得到的溶液B加入到持续搅拌着的步骤一得到的溶液A中，搅拌混合均匀得到溶液D；
步骤五、将步骤三得到的溶液C加入到持续搅拌着的步骤四得到的溶液D中，搅拌混合均匀放置陈化22～26h得到铁酸铋前驱体溶胶；
步骤六、将步骤五得到的铁酸铋溶胶置于80～90℃烘箱中干燥22～26h得到铁酸铋凝胶；
步骤七、将步骤六得到的铁酸铋凝胶在马弗炉中进行热处理预烧结去除有机物，热处理温度450～550℃，处理时间为1～3h，得到铁酸铋预烧粉末；
步骤八、将步骤七得到的铁酸铋预烧粉末在马弗炉中进行二次烧结，烧结温度为750～850℃，烧结时间为1～3h，得到铁酸铋粉体。
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| RU2641203C2 (ru) * | 2016-05-04 | 2018-01-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Способ получения нанопорошка феррита висмута |
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Non-Patent Citations (1)
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