CN114162829B - 一种硅酸锆纳米粉体的制备方法 - Google Patents
一种硅酸锆纳米粉体的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:将锆盐、硅源、矿化剂、糖类、尿素按照一定比例混合置于容器中,在加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;将熔融混合液进行加热,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;将黑褐色固体进行热处理,即得单分散、大小均匀、晶型单一的硅酸锆纳米粉体。该方法一方面能降低反应温度、反应原料成本和对设备的要求,提高反应均匀性和反应过程的可控性,简化工艺,另一方面还能减少颗粒聚集的情况,所制备出的硅酸锆纳米粉体可具有粒径小且均一、杂质含量低、结晶度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域,具体涉及一种硅酸锆纳米粉体的制备方法。
背景技术
硅酸锆(ZrSiO4)属四方晶系,为岛状结构的硅酸盐矿物。硅酸锆因具有高熔点、低热导率、低膨胀系数、优良的化学稳定性等特点,因此广泛应用于耐火材料和高温陶瓷颜料,同时烧结的硅酸锆具有极好的抗热震性,因此硅酸锆也是高温结构陶瓷的重要侯选材料。另外,硅酸锆涂层具有化学稳定性好、氧扩散系数较低、能耐酸碱和有机溶剂、机械强度大、抗微生物能力强、耐高温等特点,因而被应用于金属材料在腐蚀环境中的表面保护。因此,合成高纯超细硅酸锆粉体是十分有意义的。
不同掺杂元素对硅酸锆主体有着不同的作用,镨元素、钒元素、铁元素的掺杂主要用于制备锆基颜料等:如镨锆黄、钒锆蓝和铁锆红。铬元素、锰元素掺杂的硅酸锆主要用于制备激光晶体等,来研究硅酸锆的光谱性能。钇元素的掺杂能稳定硅酸锆中ZrO2杂质晶相在高温下的晶相转化,缓解相变应力,提升硅酸锆薄膜材料整体的稳定性和抗氧化性能。但是掺杂元素含量过多也会影响硅酸锆晶相的形成,所以应该根据实际应用情况选择不同的掺杂比例。
硅酸锆粉体合成方法的选择取决于成本,但更重要的是最终的应用。粉体的质量不仅受合成路线的影响,还受原料的影响。硅酸锆粉末的纯度和晶体结构对其最终的应用性能有很大影响。传统固相法虽然工艺简单、效率高、易批量生产,但是制备的硅酸锆粉体具有高度团聚、粒径大、杂质含量高等问题;共沉淀法操作简便易行,对设备、技术需求不高,不易引入杂质,所得产品纯度高,有良好的化学计量性,成本较低,但所制备得到的粉体粒径分布较宽,分散性较差,洗除原溶液中的阴离子较困难;水热法可不经高温煅烧,避免了煅烧过程中晶粒长大、硬团聚、缺陷和杂质的引入,因此能得到烧结活性较高、晶粒发育完整、分散性好、粒径分布均匀的超细粉体,但高温高压合成设备昂贵,投资大,对反应设备要求苛刻,操作要求高,因此较难实现大规模工业化生产;溶胶-凝胶法制备的硅酸锆粉体粒径小、杂质少,但一般结晶度较低,形貌也不均一,而且所用的前驱体原料成本较高,反应过程不易控制,工艺较复杂。
综上所述,目前采用传统方法制备出的硅酸锆粉体存在高度团聚、粒径大、杂质含量高、结晶度较低、粒径分布相对较宽,反应温度高、反应不均匀、反应原料成本较高、反应过程不易控制、工艺较复杂、对反应设备要求苛刻等问题,直接影响硅酸锆粉体的性能及应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,该方法一方面能降低反应温度、反应原料成本和对设备的要求,提高反应均匀性和反应过程的可控性,简化工艺,另一方面还能减少颗粒聚集的情况,所制备出的硅酸锆纳米粉体可具有粒径小且均一、杂质含量低、结晶度高等优点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:
(1)将锆盐、硅源、矿化剂、糖类、尿素按照一定比例混合置于容器中,在60~120℃的加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;
(2)将熔融混合液进行加热,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体进行热处理,即得单分散、大小均匀、晶型单一的硅酸锆纳米粉体。
优选的,步骤(1)中,锆盐与硅源的总质量、矿化剂的质量、糖类的质量、尿素的质量之比为1:(0.001~0.1):(1~10):(1~10)。
优选的,步骤(1)中,锆盐与硅源之间的摩尔比为1:(1~1.5)。
优选的,步骤(1)中,锆盐为硝酸盐、卤代盐、次氯酸盐、醋酸盐、草酸盐中的一种或多种。
优选的,步骤(1)中,硅源为四氯化硅、四溴化硅、四甲氧基硅烷、硅酸四乙酯、硅酸四丁酯、正硅酸四异丙酯、硅酸中的一种或多种。
优选的,步骤(1)中,矿化剂为氟化锂、氟化钠、氟化钾、氯化锂、氯化钠、氯化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或多种。
优选的,步骤(1)中,糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、淀粉和糊精中的一种或多种。
优选的,步骤(1)中,向容器中再加入含有掺杂元素的可溶性盐,掺杂元素为铬、镨、钒、铁、钇、锰中的一种或多种;锆盐中的锆元素与掺杂元素的摩尔比为1:(0.0001~0.5)。
优选的,步骤(2)中,加热在常压或密闭的反应釜中进行;加热的具体步骤:将熔融混合液微波处理0.1~60min,微波功率为0.1~50kw,或者将熔融混合液在120~250℃的温度条件下加热8~48h。
优选的,步骤(3)中,热处理的具体步骤为:将黑褐色固体在保护气氛围下,于1000~1400℃下热处理4~10h得到碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料放置在空气中,于400~1000℃下除碳4~10h得到硅酸锆纳米粉体。
本发明作用原理:本发明通过糖-尿素-盐体系中金属离子与尿素的络合作用以及糖与尿素间的氢键作用形成分子水平混合均匀的无水低共熔体系,该体系在加热条件下发生美拉德反应,通过热力学和动力学的共同调控,实现金属盐水解时均相成核,在分子水平上自组装,一步法将尺寸可控的纳米颗粒均匀分布在多孔碳模板中,形成“火龙果”结构,最后将碳模板在较低温度下煅烧除掉即得到硅酸锆纳米粉体。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明通过调节前驱体(锆盐和硅源)、矿化剂、糖类和尿素之间的比例来调节硅酸锆纳米粉体的粒径和孔径的大小,所制备得到的硅酸锆纳米颗粒不仅结晶度较高、杂质较少,而且仍然保持较好的单分散性和粒度小且均一的形貌,是制作耐火材料、激光晶体和硅酸锆基颜料较为理想的原料;
(2)本发明一方面能降低反应温度、反应原料成本和对设备的要求,提高反应均匀性和反应过程的可控性,简化工艺,另一方面还能减少颗粒聚集的情况,方法合成路线简单、成本低,因此在工业催化、水处理和电化学等诸多方面具有巨大的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例一制备得到的硅酸锆纳米粉体的XRD图;
图2为本发明实施例二制备得到的硅酸锆纳米粉体的XRD图;
图3为本发明实施例三制备得到的硅酸锆纳米粉体的XRD图;
图4为本发明实施例三制备得到的硅酸锆纳米粉体的SEM图;
图5为本发明实施例四制备得到的硅酸锆纳米粉体的XRD图。
图6为本发明实施例五制备得到的钇掺杂的硅酸锆纳米粉体的XRD图。
图7为本发明实施例六制备得到的铬掺杂的硅酸锆纳米粉体的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
以下实施例中的实验药品除特别说明外,均通过市购得到并直接使用。
实施例一
一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:
(1)将1.1562g(0.005mol)硝酸氧锆、1.0417g(0.005mol)硅酸四乙酯、0.21979g氟化钠、21.9790g无水葡萄糖、17.5832g尿素混合置于容器中,在100℃加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;硝酸氧锆与硅酸四乙酯之间的摩尔比为1:1;硝酸氧锆与硅酸四乙酯的总质量、氟化钠的质量、无水葡萄糖的质量、尿素的质量之比为1:0.1:10:8;
(2)将熔融混合液放进120℃烘箱中加热48h,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体在氩气保护氛围下加热,煅烧温度为1000℃,煅烧时间为10h,得到碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料放置在空气中,于400℃下煅烧除碳10h即得硅酸锆纳米粉体,其XRD图如图1所示。
从图1中可以看出,硅酸锆粉体为四方相,杂质峰较少,晶型单一。
实施例二
一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:
(1)将2.1466g(0.005mol)五水硝酸锆、1.5625g(0.0075mol)硅酸四乙酯、0.0037g氟化钠、18.5455g果糖、37.0910g尿素混合置于容器中,在80℃加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;五水硝酸锆与硅酸四乙酯之间的摩尔比为1:1.5;五水硝酸锆与硅酸四乙酯的总质量、氟化钠的质量、果糖的质量、尿素的质量之比为1:0.001:5:10;
(2)将熔融混合液微波处理0.1min,微波功率为50kw,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体在氩气保护氛围下加热,煅烧温度为1100℃,煅烧时间为8h,得到碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料放置在空气中,于600℃下煅烧除碳6h即得硅酸锆纳米粉体,其XRD图如图2所示。
从图2中可以看出,硅酸锆粉体为四方相,晶型较好。
实施例三
一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:
(1)将2.1466g(0.005mol)五水硝酸锆、1.9232g(0.006mol)硅酸四丁酯、0.1221g氟化钾、4.0698g无水葡萄糖、4.0698g尿素混合置于容器中,在120℃加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;五水硝酸锆与硅酸四丁酯之间的摩尔比为1:1.2;五水硝酸锆与硅酸四丁酯的总质量、氟化钾的质量、无水葡萄糖的质量、尿素的质量之比为1:0.03:1:1;
(2)将熔融混合液微波处理60min,微波功率为0.1kw,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体在氩气保护氛围下加热,煅烧温度为1300℃,煅烧时间为8h,得到碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料放置在空气中,于800℃下煅烧除碳5h即得硅酸锆纳米粉体,其XRD图和SEM图分别如图3、图4所示。
从图3中可以看出,硅酸锆粉体为四方相,晶型较好。
从图4中可以看出,硅酸锆粉体单分散性好,大小均匀,平均粒径68nm。
实施例四
一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:
(1)将1.1562g(0.005mol)硝酸氧锆、2.0835g(0.0065mol)硅酸四丁酯、0.0324g氟化钠、19.4382g无水葡萄糖、25.9176g尿素混合置于容器中,在60℃加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;硝酸氧锆与硅酸四丁酯之间的摩尔比为1:1.3;硝酸氧锆与硅酸四丁酯的总质量、氟化钠的质量、无水葡萄糖的质量、尿素的质量之比为1:0.01:6:8;
(2)将熔融混合液放进250℃烘箱中加热8h,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体在氩气保护氛围下加热,煅烧温度为1400℃,煅烧时间为4h,得到碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料放置在空气中,于1000℃下煅烧除碳4h即得硅酸锆纳米粉体,其XRD图如图5所示。
从图5中可以看出,硅酸锆粉体为四方相,晶型较好。
实施例五
一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:
(1)将1.1562g(0.005mol)硝酸氧锆、0.0920g(0.0005mol)磷酸钇、2.0835g(0.0065mol)硅酸四丁酯、0.0324g氟化钠、19.4382g无水葡萄糖、25.9176g尿素混合置于容器中,在60℃加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;硝酸氧锆、磷酸钇与硅酸四丁酯之间的摩尔比为1:0.1:1.3;硝酸氧锆与硅酸四丁酯的总质量、氟化钠的质量、无水葡萄糖的质量、尿素的质量之比为1:0.01:6:8;
(2)将熔融混合液放进190℃烘箱中加热20h,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体在氩气保护氛围下加热,煅烧温度为1300℃,煅烧时间为8h,得到碳复合载体负载型纳米钇掺杂硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米钇掺杂硅酸锆材料放置在空气中,于1000℃下煅烧除碳4h即得钇掺杂的硅酸锆纳米粉体,其XRD图如图6所示。
从图6中可以看出,硅酸锆粉体为四方相,晶型较好,只有t-ZrO2杂质相,没有m-ZrO2杂质相。
实施例六
一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:
(1)将2.1466g(0.005mol)五水硝酸锆、0.0100g(0.000025mol)九水硝酸铬、1.5625g(0.0075mol)硅酸四乙酯、0.0037g氟化钠、18.5455g果糖、37.0910g尿素混合置于容器中,在80℃加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;五水硝酸锆、九水硝酸铬与硅酸四乙酯之间的摩尔比为1:0.005:1.5;五水硝酸锆与硅酸四乙酯的总质量、氟化钠的质量、果糖的质量、尿素的质量之比为1:0.001:5:10;
(2)将熔融混合液放进200℃烘箱中加热18h,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体在氩气保护氛围下加热,煅烧温度为1200℃,煅烧时间为10h,得到碳复合载体负载型纳米铬掺杂硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米铬掺杂硅酸锆材料放置在空气中,于600℃下煅烧除碳6h即得铬掺杂的硅酸锆纳米粉体,其SEM图如图7所示。
从图7中可以看出,单分散性好,大小均匀,平均粒径66nm。
实施例七
一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,包括如下步骤:
(1)将0.5781g(0.0025mol)硝酸氧锆、1.0733g(0.0025mol)五水硝酸锆、0.5209g(0.0025mol)硅酸四乙酯、0.8014g(0.0025mol)硅酸四丁酯、0.2000g氟化钠、0.0974氟化钾、15.00g无水葡萄糖、10.00g果糖、18g尿素混合置于容器中,在80℃加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;锆盐与硅源之间的摩尔比为1:1;锆盐与硅源的总质量、矿化剂的质量、糖类的质量、尿素的质量之比为1:0.1:8.4:6.1;
(2)将熔融混合液放进180℃烘箱中加热24h,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体在氩气保护氛围下加热,煅烧温度为1300℃,煅烧时间为8h,得到碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料放置在空气中,于550℃下煅烧除碳6h即得硅酸锆纳米粉体。
Claims (4)
1.一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将锆盐、硅源、矿化剂、糖类、尿素按照一定比例混合置于容器中,在60~120℃的加热条件下搅拌混合均匀得到熔融混合液;
所述锆盐与硅源的总质量、矿化剂的质量、糖类的质量、尿素的质量之比为1:(0.001~0.1):(1~10):(1~10);
所述锆盐与硅源之间的摩尔比为1:(1~1.5);
所述锆盐为硝酸盐、卤代盐、次氯酸盐、醋酸盐、草酸盐中的一种或多种;
所述硅源为四氯化硅,四溴化硅,四甲氧基硅烷,硅酸四乙酯,硅酸四丁酯,正硅酸四异丙酯、硅酸中的一种或多种;
所述矿化剂为氟化锂、氟化钠、氟化钾、氯化锂、氯化钠、氯化钾、氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或多种;
所述糖类为葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、乳糖、淀粉和糊精中的一种或多种;
(2)将熔融混合液进行加热,直至糖类脱水碳化得到黑褐色固体;
(3)将黑褐色固体进行热处理,即得单分散、大小均匀、晶型单一的硅酸锆纳米粉体。
2.根据权利要求1所述的一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,向容器中再加入含有掺杂元素的可溶性盐,掺杂元素为铬、镨、钒、铁、钇、锰中的一种或多种;锆盐中的锆元素与掺杂元素的摩尔比为1:(0.0001~0.5)。
3.根据权利要求1所述的一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,加热在常压或密闭的反应釜中进行;加热的具体步骤:将熔融混合液微波处理0.1~60min,微波功率为0.1~50kw,或者将熔融混合液在120~250℃的温度条件下加热8~48h。
4.根据权利要求1所述的一种硅酸锆纳米粉体的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,热处理的具体步骤为:将黑褐色固体在保护气氛围下,于1000~1400℃下热处理4~10h得到碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料;再将碳复合载体负载型纳米硅酸锆材料放置在空气中,于400~1000℃下除碳4~10h得到硅酸锆纳米粉体。
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