CN112340775A - 一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米粉体制备技术领域，尤其涉及一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：（1）将Sn源溶液定速滴加至Bi源溶液中，得半透明乳浊液；（2）在半透明乳浊液中加入胶凝剂和分散剂，充分混合后，调节pH呈碱性，继续于室温下搅拌，陈化，移除上清液，将沉淀洗涤、离心、干燥；（3）研磨后，高温真空烧结，即得花簇状锡酸铋纳米粉体。本发明采用共沉淀法制备的花簇状锡酸铋纳米粉体，制备原料廉价易得、工艺简单、能耗低且生产周期短，易于实现工业化生产。

Description

一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米粉体制备技术领域，尤其涉及一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法。
背景技术
锡酸铋（Bi2Sn2O7）是一种新型烧绿石结构的复合氧化物半导体材料，具有优异的光催化和气敏性能。目前合成锡酸铋（Bi2Sn2O7）的常规制备技术主要包括水热法、高温固相法等。
据文献报道，中国科学院、上海硅酸盐研究所等学者利用水热法合成了具有良好光催化特性的、具有球状和棒状结构的锡酸铋纳米粉体。可以发现，现有合成锡酸铋粉体的水热法制备技术在反应过程中涉及严苛的高温高压条件，且需要24h以上的熟化反应时间，导致锡酸铋粉体的生产周期长、产率低，且难以实现大批量生产。另外，对于高温固相法而言，锡酸铋粉体在合成过程中同样地需要较高的烧结温度以及较长的烧结反应时间，不利于规模化工业生产。
发明内容
本发明为了克服现有锡酸铋粉体的制备工艺能耗高、生产周期长、产率低，难以实现大批量生产的问题，提供了一种分散性好，物相纯度高，结晶性优良的花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，该方法制备原料廉价易得、工艺简单、能耗低且生产周期短，易于实现工业化生产。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：
（1）将Bi源加入到稀酸溶液中，室温下持续搅拌均匀，得Bi源溶液；
（2）将Sn源加入到去离子水中，室温下持续搅拌均匀，得Sn源溶液；
（3）将Sn源溶液定速滴加至Bi源溶液中，得半透明乳浊液；
（4）在半透明乳浊液中加入胶凝剂和分散剂，充分混合后，调节pH呈碱性（8~12），继续于室温下搅拌，陈化，移除上清液，将沉淀洗涤、离心、干燥得锡酸铋纳米粉体前驱体；该步骤中，胶凝剂的作用为使Bi离子与Sn离子形成络合化合物，降低了游离态的金属离子的浓度，减少金属离子的水解反应；分散剂的作用分散络合化合物，防止颗粒的沉降和凝聚；
（5）将锡酸铋纳米粉体粗品研磨后，高温真空烧结，即得花簇状锡酸铋纳米粉体。
化学共沉淀法是利用溶液中以匀相存在的两种及以上离子，在加入一定的沉淀剂后，获得成分均一的沉淀的方法。本发明利用化学共沉淀法原理，优化了反应物选取、离子浓度、沉淀剂含量、陈化时间以及烧结温度等工艺参数，合成了产率高、物相纯度高、分散性能优异的花簇状Bi2Sn2O7纳米粉体。
作为优选，步骤（1）中，所述Bi源溶液的浓度为0.025~0.05mol/L。
作为优选，步骤（1）中，所述稀酸溶液选自稀盐酸、稀硝酸的稀硫酸中的一种；所述稀酸溶液的浓度为1~1.5mol/L，更优选为1 mol/L。
作为优选，步骤（2）中，所述Sn源溶液的浓度为0.025~0.05mol/L。
作为优选，Bi源与Sn源的物质的量比为1：1。
作为优选，步骤（1）中，所述Bi源选自Bi(NO3)3·5H2O、Bi2(SO4)3·2H2O和BiCl3中的一种。
作为优选，步骤（2）中，所述Sn源选自Na2SnO3·3H2O、K2SnO3·3H2O和SnCl4·3H2O中的一种。
作为优选，步骤（3）中，定速滴加的速率为2~2.5mL/s，更优选为2mL/s。滴加速率过高会导致局部浓度过高，造成团聚，滴加速率过低会影响实验完成效率。
作为优选，步骤（4）中，所述胶凝剂为柠檬酸；所述分散剂为聚乙二醇-2000。
选择柠檬酸作为胶凝剂是考虑到其络合能力强且价格低廉；选择聚乙二醇-2000作为分散剂是因为其分散性能佳。
作为优选，步骤（4）中，以半透明乳浊液总体积为基准，所述胶凝剂的加入量为2~2.5%，更优选为2%。
作为优选，步骤（4）中，以半透明乳浊液总体积为基准，所述分散剂的加入量为0.2~0.3%，更优选为0.2%。
胶凝剂和分散剂的加入量对锡酸铋纳米粉体的形貌形成很关键，过多会导致电离出的离子就会剩余在悬浮液中，过量的离子会压缩双电层，使Zeta电位绝对值降低，从而降低了静电排斥产生的稳定作用，产生团聚；过低会导致电离出的离子不足以覆盖覆盖全部颗粒，颗粒表面的离子分布不均，空间组位机制比较弱，悬浮液粘度大，不稳定，造成团聚。
作为优选，步骤（5）中，高温真空烧结的温度为600~800℃，时间为4~6h。高温真空烧结的温度过低会导致无法完成前驱体到锡酸铋的转变，过高会导致锡酸铋的分解。
因此，本发明具有如下有益效果：
（1）采用共沉淀法制备的花簇状锡酸铋纳米粉体，制备原料廉价易得、工艺简单、能耗低且生产周期短，易于实现工业化生产；
（2）采用本发明的方法制得的花簇状锡酸铋纳米粉体具有分散性好，物相纯度高，结晶性优良等特性。
附图说明
图1是实施例2制得的花簇状锡酸铋纳米粉体的XRD图。
图2是实施例2制得的花簇状锡酸铋纳米粉体的SEM图。
图3是对比例2制得的锡酸铋纳米粉体的SEM图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
（1）配制50ml 0.025mol/L的硫酸铋稀酸溶液，溶剂为稀硫酸，记为A溶液；
（2）配制50ml 0.025mol/L 的锡酸钾水溶液，记为B溶液；
（3）将B溶液置于分液漏斗中在600r/min磁力搅拌下，以2ml/s定速滴加至A溶液中，形成半透明乳浊液；
（4）在半透明乳浊液中分别加入2g柠檬酸胶凝剂和0.2g聚乙二醇-2000分散剂，待充分混合后，滴加质量分数为30%的NaOH溶液至混合溶液pH至8，继续于室温下搅拌30min；陈化3h，移除上清液，用去离子水及酒精清洗、离心、分离，重复3次，随后放入鼓风式干燥箱中，80℃干燥12h，得到白色的烘干粉体，即锡酸铋纳米粉体前驱体；
（5）将烘干后的粉体进行研磨，于600℃马弗炉中烧结4h，得到淡黄色锡酸铋纳米粉体，即为花簇状锡酸铋纳米粉体。
实施例2
（1）配制50ml 0.05mol/L的硝酸铋稀酸溶液，溶剂为稀硝酸，记为A溶液；
（2）配制50ml 0.05mol/L 的锡酸钠水溶液，记为B溶液；
（3）将B溶液置于分液漏斗中在600r/min磁力搅拌下，以2.5ml/s定速滴加至A溶液中，形成半透明乳浊液；
（4）在半透明乳浊液中分别加入2g柠檬酸胶凝剂和0.3g聚乙二醇-2000分散剂，充分混合后，滴加NaOH溶液至混合溶液pH至10，继续于室温下搅拌30min；陈化4h，移除上清液，用去离子水及酒精清洗、离心、分离，重复4次，随后放入鼓风式干燥箱中，80℃干燥12h，得到白色的烘干粉体，即锡酸铋纳米粉体前驱体；
（5）将烘干后的粉体进行研磨，于600℃马弗炉中烧结5h，得到淡黄色锡酸铋纳米粉体，即为花簇状锡酸铋纳米粉体，其XRD图谱如图1所示，其SEM图如图2所示。
实施例3
（1）配制50ml 0.04mol/L的氯化铋稀酸溶液，溶剂为稀盐酸，记为A溶液；
（2）配制50ml 0.04mol/L 的四氯化锡水溶液，记为B溶液；
（3）将B溶液置于分液漏斗中在600r/min磁磁力搅拌下，以2.5ml/s定速滴加至A溶液中，形成半透明乳浊液；
（4）在半透明乳浊液中分别加入2.5g柠檬酸胶凝剂和0.2g聚乙二醇-2000分散剂，待充分混合后，滴加NaOH溶液至混合溶液pH至12，继续于室温下搅拌30min；陈化6h，移除上清液，用去离子水及酒精清洗、离心、分离，重复5次，随后放入鼓风式干燥箱中，80℃干燥12h，得到白色的烘干粉体，即锡酸铋纳米粉体前驱体；
（5）将烘干后的粉体进行研磨，于600℃马弗炉中烧结6h，得到淡黄色锡酸铋纳米粉体，即为花簇状锡酸铋纳米粉体。
对比例1
（1）配制50ml 0.025mol/L的硫酸铋稀酸溶液，溶剂为稀硫酸，记为A溶液；
（2）配制50ml 0.025mol/L 的锡酸钾水溶液，记为B溶液；
（3）将B溶液置于分液漏斗中在600r/min磁力搅拌下，以2ml/s定速滴加至A溶液中，形成半透明乳浊液；
（4）在半透明乳浊液中分别加入2g乙二胺四乙酸胶凝剂和0.2g聚乙二醇-2000分散剂，待充分混合后，滴加质量分数为30%的NaOH溶液至混合溶液pH至8，继续于室温下搅拌30min；陈化3h，移除上清液，用去离子水及酒精清洗、离心、分离，重复3次，随后放入鼓风式干燥箱中，80℃干燥12h，得到白色的烘干粉体，即锡酸铋纳米粉体前驱体；
（5）将烘干后的粉体进行研磨，于600℃马弗炉中烧结4h，得到淡黄色锡酸铋纳米粉体，无法形成花簇状形貌。
对比例2
（1）配制50ml 0.025mol/L的硫酸铋稀酸溶液，溶剂为稀硫酸，记为A溶液；
（2）配制50ml 0.025mol/L 的锡酸钾水溶液，记为B溶液；
（3）将B溶液置于分液漏斗中在600r/min磁力搅拌下，以2ml/s定速滴加至A溶液中，形成半透明乳浊液；
（4）在半透明乳浊液中分别加入2g柠檬酸胶凝剂和0.2g聚乙二醇-400分散剂，待充分混合后，滴加质量分数为30%的NaOH溶液至混合溶液pH至8，继续于室温下搅拌30min；陈化3h，移除上清液，用去离子水及酒精清洗、离心、分离，重复3次，随后放入鼓风式干燥箱中，80℃干燥12h，得到白色的烘干粉体，即锡酸铋纳米粉体前驱体；
（5）将烘干后的粉体进行研磨，于600℃马弗炉中烧结4h，得到淡黄色锡酸铋纳米粉体，其SEM图如图3所示，无法形成完整的花簇状形貌。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将Bi源加入到稀酸溶液中，室温下持续搅拌均匀，得Bi源溶液；
（2）将Sn源加入到去离子水中，室温下持续搅拌均匀，得Sn源溶液；
（3）将Sn源溶液定速滴加至Bi源溶液中，得半透明乳浊液；
（4）在半透明乳浊液中加入胶凝剂和分散剂，充分混合后，调节pH呈碱性，继续于室温下搅拌，陈化，移除上清液，将沉淀洗涤、离心、干燥得锡酸铋纳米粉体前驱体；
（5）将锡酸铋纳米粉体粗品研磨后，高温真空烧结，即得花簇状锡酸铋纳米粉体。
2.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述Bi源溶液的浓度为0.025~0.05mol/L；所述稀酸溶液选自稀盐酸、稀硝酸的稀硫酸中的一种；所述稀酸溶液的浓度为1~1.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述Sn源溶液的浓度为0.025~0.05mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述Bi源选自Bi(NO3)3·5H2O、Bi2(SO4)3·2H2O和BiCl3中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述Sn源选自Na2SnO3·3H2O、K2SnO3·3H2O和SnCl4·3H2O中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，定速滴加的速率为2~2.5mL/s。
7.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，所述胶凝剂为柠檬酸；所述分散剂为聚乙二醇-2000。
8.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（4）中，以半透明乳浊液总体积为基准，所述胶凝剂的加入量为2~2.5%。
9.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，以半透明乳浊液总体积为基准，所述分散剂的加入量为0.2~0.3%。
10.根据权利要求1所述的一种花簇状锡酸铋纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（5）中，高温真空烧结的温度为600~800℃，时间为4~6h。
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