CN109553127B - 一种水热法制备的钛酸铋钠纳米线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种水热法制备的钛酸铋钠纳米线及其制备方法,包括步骤1,向pH为13~14的NaOH溶液中依次加入摩尔比为2:1的TiO2和Bi(NO3)3·5H2O,搅拌得到黄色悬浮液;步骤2,向黄色悬浮液中加入十六烷基三甲基溴化铵,得到水热前驱体溶液;步骤3,将水热前驱体溶液在150~220℃下进行水热反应10~20h后洗涤产物,至洗涤后的洗涤液呈中性,所得的产物烘干得到钛酸铋钠纳米线。成功制备了一种一维的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线形貌的粉体,工艺简单、成本低廉,反应周期短,重复性好,其纳米线粉体的分散性良好,分布均匀,团聚程度低,具有大的纵横比。
Description
技术领域
本发明涉及水热法制备粉体技术领域,具体为一种水热法制备的钛酸铋钠纳米线及其制备方法。
背景技术
压电陶瓷材料广泛应用于电子信息、集成电路、计算机、自动控制、航空航天、海洋测绘、通信技术、汽车和能源等高新技术领域,成为许多新型电子元器件的基础材料,在国民经济和国防建设中占有十分重要的战略地位。传统的压电陶瓷包括PZT基的二元系及多元系陶瓷材料,并且这些材料有着很广泛的应用,但是PZT基的压电陶瓷中,氧化铅含量占到了原料总量的70%左右,这就导致了两方面的弊端,一方面由于PbO是一种易挥发的物质,在烧结过程中材料会偏离化学计量比,使得产品的重复性和一致性降低;另一方面,有毒的铅挥发造成了环境的严重污染。随着全社会对环境保护问题的重视,欧盟等发达国家通过立法方式限制含铅陶瓷的制造和使用。因此,研究和开发无铅压电陶瓷是一项迫切和具有重大社会意义的课题。钛酸铋钠,其化学式为Na0.5Bi0.5TiO3,简写式为NBT,这种无铅压电陶瓷发现于1960年,具有铁电性强、压电性能佳、介电常数大及声学性能好等优良特征,被认为是最可能取代铅基压电陶瓷的无铅压电陶瓷体系之一,正得到广泛研究。该材料具有广阔的应用前景,如应用于高频滤波器、传感器、超声环能器及工业探伤、测厚、医用超声诊断等压电原件。
传统制备NBT粉体的方法是固相烧结法,用固相烧结得到的粉体由于高温处理很容易团聚并且尺寸分布不均。与固相烧结法相比,溶胶-凝胶法很容易实现掺杂,因而可制备成分分布均匀且可调的多种复合物,然而为了得到结晶性好的粉体,溶胶-凝胶法通常对凝胶粉采取高温烧结以便驱除有机溶剂。水热法是合成纳米晶的重要方法,水热法是在特制的密闭反应容器里,如高压釜,采用水溶液作为反应介质,通过对反应容器加热,提供一个高温和高压的反应环境,使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶以及在相对较低的温度下完成某些陶瓷材料的烧结等。
相对于其他制备粉体的方法,水热法制备的粉体具有如下的性能:第一,粉体晶粒发育完整及晶粒形态可控;第二,粒径晶粒分布均匀;第三,团聚程度很低;第四,易得到合适的化学计量产物;第五,省去了高温煅烧和球磨,从而避免了杂质和结构缺陷,但目前通过水热法制备的NBT纳米线纵横比较小,NBT/聚合物基复合材料的储能性能不佳。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明提供一种水热法制备的钛酸铋钠纳米线及其制备方法,工艺简单、成本低廉,反应周期短,重复性好,制备出一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线粉体不仅分散性好而且还具有大的纵横比。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种水热法制备钛酸铋钠纳米线的方法,包括如下步骤:
步骤1,向pH为13~14的NaOH溶液中依次加入摩尔比为2:1的TiO2和Bi(NO3)3·5H2O,搅拌得到黄色悬浮液;
步骤2,向黄色悬浮液中加入十六烷基三甲基溴化铵,得到水热前驱体溶液;
步骤3,将水热前驱体溶液在150~220℃下进行水热反应10~20h后洗涤产物,至洗涤后的洗涤液呈中性,所得的产物烘干得到钛酸铋钠纳米线。
优选的,所述的步骤2中十六烷基三甲基溴化铵加入的质量为0.6~1.0g。
优选的,步骤1中所述的NaOH溶液通过配置得到,并且先将其冷却至室温再加入TiO2和Bi(NO3)3·5H2O。
优选的,步骤1的搅拌时间为30~60min。
优选的,步骤2向黄色悬浮液中加入十六烷基三甲基溴化铵后搅拌30~60min得到水热前驱体溶液。
优选的,步骤3将水热前驱体溶液转移到反应釜中进行水热反应,反应釜的填充率为75~85%。
优选的,步骤3中水热前驱体溶液达到反应温度的升温速率为1~2℃/min。
优选的,步骤3中水热前驱体溶液在反应后,用去离子水洗涤产物4~6次,至洗涤后的洗涤液呈中性,再用无水乙醇洗涤2~3次静置2~4h后得到产物。
优选的,步骤3所得的产物在50~80℃下烘干12~15h后得到钛酸铋钠纳米线。
一种由上述任意一项所述的方法制备得到的钛酸铋钠纳米线。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明一种水热法制备钛酸铋钠纳米线的方法,pH为13~14的NaOH溶液作为pH调节剂和矿化剂,加入TiO2和Bi(NO3)3·5H2O搅拌后得到含有固态TiO2的黄色悬浮液,加入的十六烷基三甲基溴化铵能使Na0.5Bi0.5TiO3前驱体溶液在水热反应时将Na0.5Bi0.5TiO3晶粒的其他晶面掩盖而只暴露(100)晶面,从而保证Na0.5Bi0.5TiO3生长成纳米线;水热反应结束后洗涤产物至洗涤后的洗涤液呈中性能使之后烘干得到的产物一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线不含杂质,得到大纵横比的一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线。本发明成功制备了一种一维的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线形貌的粉体,其纳米线粉体的分散性良好,分布均匀,团聚程度低,具有大的纵横比。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线粉体的XRD图。
图2为本发明实施例1所制备的一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线粉体的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所采用的水热合成法与高温固相法、溶胶-凝胶法、化学共沉淀法相比,可以在较低的温度下进行,所得的一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线粉体具有良好的结晶性、分散特性,具有大的纵横比和分散性,得到纯相的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线粉体。
实施例1
一种水热法制备Na0.5Bi0.5TiO3粉体的方法,包括如下步骤:
步骤1,配置37.5mL的NaOH溶液,调节其pH为13;
步骤2,待NaOH溶液冷却至室温后向其中依次加入0.6g的TiO2和1.8g的Bi(NO3)3·5H2O,搅拌30min,使其呈现黄色悬浮液,其中TiO2和Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为2:1,此时Bi3+的浓度为0.098mol/L;
步骤3,向黄色悬浮液中加入1.0g的十六烷基三甲基溴化铵,搅拌30min得到水热前驱体溶液,其中十六烷基三甲基溴化铵可简写为CTAB;
步骤4,将水热前驱体溶液转移到50mL的反应釜中进行水热反应,此时反应釜的填充率为75%,升温速率为1℃/min,在150℃下进行水热反应20h后用去离子水洗涤产物6次,至洗涤后的洗涤液呈中性,再用无水乙醇洗涤2次静置3h后将所得的产物在70℃下烘干13h后得到一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线。本实施例所制得的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线平均粒径尺寸为10~15μm。Na0.5Bi0.5TiO3纳米线的XRD图如图1所示,从图中可以看出,所制备的Na0.5Bi0.5TiO3没有其它杂相的产生。Na0.5Bi0.5TiO3纳米线的SEM图如图2所示,从图中可以看出,制备的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线有大的纵横比,平均粒径尺寸为10~15μm。
实施例2
一种水热法制备Na0.5Bi0.5TiO3粉体的方法,包括如下步骤:
步骤1,配置42.5mL的NaOH溶液,调节其pH为14;
步骤2,待NaOH溶液冷却至室温后向其中依次加入0.9g的TiO2和2.7g的Bi(NO3)3·5H2O,搅拌45min,使其呈现黄色悬浮液,其中TiO2和Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为2:1,此时Bi3+的浓度为0.13mol/L;
步骤3,向黄色悬浮液中加入0.8g的CTAB,搅拌55min得到水热前驱体溶液;
步骤4,将水热前驱体溶液转移到50mL的反应釜中进行水热反应,此时反应釜的填充率为85%,升温速率为2℃/min,在165℃下进行水热反应18h后用去离子水洗涤产物4次,至洗涤后的洗涤液呈中性,再用无水乙醇洗涤3次静置2h后将所得的产物在50℃下烘干12h后得到一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线。本实施例所制得的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线平均粒径尺寸为1μm。
实施例3
一种水热法制备Na0.5Bi0.5TiO3粉体的方法,包括如下步骤:
步骤1,配置42.5mL的NaOH溶液,调节其pH为14;
步骤2,待NaOH溶液冷却至室温后向其中依次加入0.5g的TiO2和1.5g的Bi(NO3)3·5H2O,搅拌40min,使其呈现黄色悬浮液,其中TiO2和Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为2:1,此时Bi3+的浓度为0.072mol/L;
步骤3,向黄色悬浮液中加入0.9g的CTAB,搅拌60min得到水热前驱体溶液;
步骤4,将水热前驱体溶液转移到50mL的反应釜中进行水热反应,此时反应釜的填充率为85%,升温速率为1℃/min,在180℃下进行水热反应15h后用去离子水洗涤产物5次,至洗涤后的洗涤液呈中性,再用无水乙醇洗涤2次静置2h后将所得的产物在60℃下烘干14h后得到一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线。本实施例所制得的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线平均粒径尺寸为3μm。
实施例4
一种水热法制备Na0.5Bi0.5TiO3粉体的方法,包括如下步骤:
步骤1,配置40mL的NaOH溶液,调节其pH为13;
步骤2,待NaOH溶液冷却至室温后向其中依次加入0.8g的TiO2和2.4g的Bi(NO3)3·5H2O,搅拌60min,使其呈现黄色悬浮液,其中TiO2和Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为2:1,此时Bi3+的浓度为0.12mol/L;
步骤3,向黄色悬浮液中加入0.6g的CTAB,搅拌35min得到水热前驱体溶液;
步骤4,将水热前驱体溶液转移到50mL的反应釜中进行水热反应,对应反应釜的填充率为80%,升温速率为2℃/min,在220℃下进行水热反应10h后用去离子水洗涤产物5次,至洗涤后的洗涤液呈中性,再用无水乙醇洗涤3次静置3h后将所得的产物在80℃下烘干15h后得到一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线。本实施例所制得的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线平均粒径尺寸为6μm。
实施例5
一种水热法制备Na0.5Bi0.5TiO3粉体的方法,包括如下步骤:
步骤1,配置37.5mL的NaOH溶液,调节其pH为13;
步骤2,待NaOH溶液冷却至室温后向其中依次加入1.0g的TiO2和3.0g的Bi(NO3)3·5H2O,搅拌50min,使其呈现黄色悬浮液,其中TiO2和Bi(NO3)3·5H2O摩尔比为2:1,此时Bi3+的浓度为0.16mol/L;
步骤3,向黄色悬浮液中加入0.7g的CTAB,搅拌40min得到水热前驱体溶液;
步骤4,将水热前驱体溶液转移到50mL的反应釜中进行水热反应,对应反应釜的填充率为75%,升温速率为1℃/min,在200℃下进行水热反应12h后用去离子水洗涤产物4次,至洗涤后的洗涤液呈中性,再用无水乙醇洗涤3次静置4h后将所得的产物在75℃下烘干13h后得到一维Na0.5Bi0.5TiO3纳米线。本实施例所制得的Na0.5Bi0.5TiO3纳米线平均粒径尺寸为10μm。
Claims (5)
1.一种水热法制备钛酸铋钠纳米线的方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,向pH为13的NaOH溶液中依次加入摩尔比为2:1的TiO2和Bi(NO3)3·5H2O,搅拌得到黄色悬浮液;
步骤2,向黄色悬浮液中加入质量为0.6~1.0g十六烷基三甲基溴化铵后搅拌30~60min,得到水热前驱体溶液;
步骤3,将水热前驱体溶液在150~180 ℃下进行水热反应10~20 h,水热前驱体溶液达到反应温度的升温速率为1~2℃/min;加入的十六烷基三甲基溴化铵能使Na0.5Bi0.5TiO3前驱体溶液在水热反应时将Na0.5Bi0.5TiO3晶粒的其他晶面掩盖,只暴露(100)晶面,保证Na0.5Bi0.5TiO3生长成纳米线;水热反应后洗涤产物,至洗涤后的洗涤液呈中性,所得的产物在50~80℃下烘干12~15h后得到一维钛酸铋钠纳米线,平均粒径尺寸为10~15μm。
2.根据权利要求1所述的一种水热法制备钛酸铋钠纳米线的方法,其特征在于,步骤1中所述的NaOH溶液通过配置得到,并且先将其冷却至室温再加入TiO2和Bi(NO3)3·5H2O。
3.根据权利要求1所述的一种水热法制备钛酸铋钠纳米线的方法,其特征在于,步骤1的搅拌时间为30~60min。
4.根据权利要求1所述的一种水热法制备钛酸铋钠纳米线的方法,其特征在于,步骤3将水热前驱体溶液转移到反应釜中进行水热反应,反应釜的填充率为75~85%。
5.根据权利要求1所述的一种水热法制备钛酸铋钠纳米线的方法,其特征在于,步骤3中水热前驱体溶液在反应后,用去离子水洗涤产物4~6次,至洗涤后的洗涤液呈中性,再用无水乙醇洗涤2~3次静置2~4 h后得到产物。
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