KR101002702B1 - A hydrothermal synthesis method of perovskite nano-powder - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2차상의 생성을 방지할 수 있는 원료물질을 선택하여 분말을 합성하고 합성 분말의 몰비를 개선할 수 있는 수세공정을 추가함으로서 효과적으로 다성분계 페롭스카이트형 나노분말을 제조할 수 있는 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따른 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법에 의하면 2차상이 없는 단일상의 다성분계 페롭스카이트형 나노분말을 더욱 경제적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
The present invention is to select a raw material that can prevent the generation of secondary phase to synthesize the powder, and by adding a washing process to improve the molar ratio of the synthetic powder perovskite can effectively produce a multi-component perovskite-type nanopowder The present invention relates to a hydrothermal synthesis method of nano-powders.
According to the hydrothermal synthesis method of the perovskite-type nanopowder according to the present invention, the single-phase multicomponent perovskite-type nanopowder having no secondary phase can be produced more economically.

Description

페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법{A hydrothermal synthesis method of perovskite nano-powder}A hydrothermal synthesis method of perovskite nano-powder

본 발명은 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 2차상의 생성을 방지할 수 있는 원료물질을 선택하여 분말을 합성하고 생성 분말의 몰비를 개선할 수 있는 수세공정을 추가함으로서 효과적으로 다성분계 페롭스카이트형 나노분말을 제조할 수 있는 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법에 대한 것이다. The present invention relates to a hydrothermal synthesis method of a perovskite-type nanopowder, and more particularly, to select a raw material capable of preventing the formation of a secondary phase to synthesize a powder and to improve the molar ratio of the resulting powder. The present invention relates to a hydrothermal synthesis method of perovskite-type nanopowders which can effectively produce multicomponent perovskite-type nanopowders.

나노분말은 산소를 투과시키는 이온전도성 세라믹 분리막이나 고체연료전지 시스템의 전해질 박막 시스템에 적용하여 치밀한 막을 만들 수 있으며, 적층 세라믹 콘덴서(Multi-Layer Ceramic Capacitor: 이하 'MLCC'라 한다.)와 같이 여러 층의 유전체 박막을 입히기 위한 슬러리 물질의 제조에도 사용되어 진다. Nanopowders can be applied to ion-conducting ceramic separators or electrolyte thin film systems in solid-state fuel cell systems that allow oxygen to pass through, and can be made into dense membranes, such as multi-layer ceramic capacitors (MLCCs). It is also used to make slurry materials for coating dielectric thin films of layers.

이 외에도 합성가스 생산을 위한 분리막, 촉매, 센서, 환경 탐지기기 등에 원천 소재로 적용될 수 있다. 예를 들어 수 마이크로에 해당하는 두께의 박막 층을 입히기 위해서는 박막을 제조하기 위한 원료 분말의 입자크기가 마이크로보다 작아야 하며 더 바람직하게는 균일한 미세 나노분말을 합성하면 할수록 유리하다. In addition, it can be applied as a source material to membranes, catalysts, sensors, environmental detectors for syngas production. For example, in order to coat a thin film layer having a thickness of several micrometers, the particle size of the raw material powder for preparing the thin film should be smaller than micro, and more preferably, the more uniform the fine nanopowder is synthesized.

나노분말을 합성할 때는 합성 분말 입자 안의 금속간 몰비 조성이 매우 중요하며, 예를 들어 티탄산바륨(BaTiO3)의 경우 바륨(Ba)과 티탄(Ti)의 원자 비율이 1을 유지하지 못하면 Ba2TiO4, BaTi2O5 및 BaCO3 등의 2차상(secondary phase)이 생성되어 유전율 저하의 원인으로 작용하며 2차상이 생성되지 않더라도 과잉 Ba은 소결에 대한 억제제로, 과잉 Ti는 소결 촉진제로 작용하기 때문에 비정상 입자성장의 원인이 된다. When synthesizing the nanopowder, the composition of the molar ratio between metals in the synthetic powder particles is very important. For example , in the case of barium titanate (BaTiO 3) , if the atomic ratio of barium (Ba) and titanium (Ti) does not maintain 1, Ba 2 Secondary phases such as TiO 4 , BaTi 2 O 5 and BaCO 3 are generated to act as a cause of lowering the dielectric constant. Even if secondary phases are not produced, excess Ba acts as an inhibitor against sintering and excess Ti acts as a sintering accelerator. This causes abnormal particle growth.

비정상 입자성장은 습식 분산 시 분산 특성과 최적의 패킹에 부적합할 뿐만 아니라, 최종 제품으로 소결 시 등축 입자 성장에 방해 요인으로 작용하여 박막층 내에 큰 공극 및 크랙을 생성시켜 박막 제조에 부정적인 영향을 미친다. Abnormal particle growth is not only unsuitable for dispersing properties and optimal packing during wet dispersion, but also as a barrier to the growth of equiaxed particles during sintering as a final product, which creates large voids and cracks in the thin film layer, which negatively affects thin film production.

합성 분말이 산소 분리나 SOFC 등의 이온전도성 분리막 소재로 사용되는 경우 분말 내에 2차상(secondary phase)이 형성되면 페롭스카이트 구조에서 벗어난 혼합물로 인해 이온이 전도되는 통로를 막아 분리막의 성능을 저해하게 되며, 600℃ 이상의 고온에서 작동하는 분리막의 조업 조건 때문에 서로 다른 상이 생성되면 열팽창 계수 차이로 인해 박막이 손상된다. When the synthetic powder is used as an ion-conductive membrane material such as oxygen separation or SOFC, if a secondary phase is formed in the powder, the mixture deviates from the perovskite structure and blocks the passage of ions, thereby inhibiting the membrane's performance. If the different phases are generated due to the operating conditions of the separator operating at a high temperature of 600 ℃ or more, the thin film is damaged due to the difference in coefficient of thermal expansion.

따라서 합성된 페롭스카이트형 소재의 생성 분말의 금속 몰비의 제어나 2차상의 생성을 억제하는 것이 매우 중요하다. Therefore, it is very important to control the metal molar ratio of the resultant powder of the synthesized perovskite material and to suppress the generation of the secondary phase.

본 발명에서 시도하고자 하는 분말인 BaTiO3, LaFeO3 및 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ 등과 같은 2성분계 이상의 페롭스카이트형 분말들은 박막이 요구되는 공정에 적용되기 때문에 나노분말로 합성할 때 더욱 유리하다. The two-component or more perovskite-type powders such as BaTiO 3 , LaFeO 3 and La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-δ , which are the powders to be attempted in the present invention, are applied to a process requiring a thin film. More advantageous when synthesized into a powder.

상기의 분말들을 제조하기 위해 종래로부터 원료물질 성분의 산화물 혹은 탄산염을 혼합하여 고온에서 반응시키는 고온소성법이 사용되어왔다. 그러나 이 방법으로 수득한 분말은 큰 평균입경을 가질 뿐 아니라 입도 분포면에서도 양호하지 못하며, 고온의 반응에 따라 조대한 입경의 분말이 얻어져서 형상이 일정하지 않기 때문에 이 분말을 슬러리화 또는 페이스트화 하는 경우 그 분산성이 양호하지 못한 문제가 있다.In order to manufacture the powders, a high temperature firing method has been conventionally used in which an oxide or carbonate of a raw material component is mixed and reacted at a high temperature. However, the powder obtained by this method not only has a large average particle diameter, but also is not good in terms of particle size distribution, and since the powder is obtained in a coarse particle size according to a high temperature reaction, the powder is not uniform in shape, thereby slurrying or pasting the powder. If so, there is a problem that the dispersibility is not good.

또한 고온소성법은 원료물질의 혼합과정에서 불순물이 유입되기 쉽고 합성된 입자의 크기가 커서 박층화에 한계가 있으며, 이러한 단점 때문에 현재는 화학품질 면에서 고순도를 얻을 수 있고, 화학조성을 균질하게 할 수 있으며, 소결체의 미세구조 제어가 용이한 액상반응법이 개발되어 적용되고 있다.In addition, the high temperature firing method has a limitation in thinning because impurities are easily introduced during the mixing of raw materials and the size of the synthesized particles is large. Due to these disadvantages, high purity can be obtained in terms of chemical quality, and the chemical composition can be made homogeneous. In addition, a liquid phase reaction method for controlling the microstructure of the sintered body has been developed and applied.

상기 액상반응법으로는 유기산합성법, 알콕사이드법 또는 졸-겔법 등이 사용되고 있으며 유기산으로 옥살산을 이용한 옥살레이트 합성법이나 졸-겔법과 같은 공정의 경우, 화학조성의 균질화는 가능하나 해당 분말을 얻기 위해 부가적인 결정화 열처리 및 분쇄가 필요할 수 있다. 이와 같이 열처리 및 분쇄과정을 통해 생성된 입자는 소성 후에도 응집체의 골격이 남아 조대 응집 입자를 생성하기 쉬우며 응집 입자의 부적절한 분쇄과정에서 처음 칭량한 금속 몰비와 다른 비양론적인 금속 몰비가 분말 표면에 생성될 수 있다.As the liquid phase reaction method, an organic acid synthesis method, an alkoxide method, or a sol-gel method is used, and in the case of a oxalate synthesis method using oxalic acid as an organic acid or a sol-gel method, homogenization of chemical composition is possible, but addition is performed to obtain a corresponding powder. Special crystallization heat treatment and grinding may be required. As such, the particles produced through the heat treatment and pulverization process easily retain coarse aggregates even after firing, and coarse aggregated particles are easily formed. Can be generated.

더욱이 유기산합성법에 사용되는 옥살산, 말릭산, 구연산 등과 알콕사이드법 또는 졸-겔법 등의 공정에 포함되어 있는 축합 작용기 등은 하이드로카본을 다량 함유하고 있어 소성 또는 소결시 CO2 형태로 분말에서 배출되는데 이 CO2에 의해 BaCO3나 SrCO3 등이 생성되어 2차상으로 존재하는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 소성 온도를 높이면 CO2를 제거할 수 있으나 적어도 1000℃ 이상의 온도가 요구되어 소결에 인해 입자 크기가 커지는 것을 피할 수 없다. 따라서 이러한 방법으로 생성된 입자는 초박층 세라믹 막을 형성하는데 부적절하다. Furthermore, oxalic acid, malic acid, citric acid and the condensation functional groups included in the alkoxide method or the sol-gel method used in the organic acid synthesis method contain a large amount of hydrocarbon and are emitted from the powder in the form of CO 2 during firing or sintering. BaCO 3 , SrCO 3, etc. are generated by CO 2 , and there is a disadvantage in that they exist in the secondary phase. In order to solve this problem, increasing the firing temperature can remove CO 2 , but at least 1000 ° C. or more is required, so that the particle size may not be increased due to sintering. The particles produced in this way are therefore inadequate for forming ultra-thin ceramic films.

상기한 액상반응법의 문제점을 해결하기 위하여 수열합성법이 개발되었고, 한국 특허 제0542374호에 개시된 '티탄산 바륨 분말의 제조 방법'에서는 Ba/Ti의 비를 1로 유지하기 위한 수열합성 방법이 소개되고 있다. 이 방법의 경우 Ba 원료에 존재할 수 있는 BaCO3를 제거하기 위해 용해도를 이용하였으나 Ba 용액을 반응기에 넣는 과정에서 용액 중 혹은 공기 중에서 흡수될 수 있는 CO2의 양을 고려하지 않았다. 따라서 미량이기는 하지만 Ba(OH)2가 BaCO3로 전환될 수 있다. In order to solve the problems of the liquid phase reaction method, a hydrothermal synthesis method was developed, and in the 'method of preparing barium titanate powder' disclosed in Korean Patent No. 0542374, a hydrothermal synthesis method for maintaining a ratio of Ba / Ti to 1 is introduced. have. In this method, solubility was used to remove BaCO 3 that may be present in the Ba raw material, but the amount of CO 2 that could be absorbed in the solution or in the air was not taken into account when the Ba solution was added to the reactor. Thus, in trace amounts, Ba (OH) 2 can be converted to BaCO 3 .

수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 또는 암모니아 등을 이용하여 침전법 혹은 공침법으로 페롭스카이트 물질을 제조할 수 있으나 이 경우 초기 물질들은 염화물(chloride)나 질산염(nitrate) 등으로 이루어지며 역시 침전물을 소성할 때 NO2, Cl2 등이 발생하여 2차상의 오염을 야기시킬 수 있는 문제가 있다. Perovskite materials can be prepared by precipitation or coprecipitation using potassium hydroxide (KOH), sodium hydroxide (NaOH) or ammonia, but in this case the initial materials consist of chloride or nitrate. In addition, there is a problem that NO 2 , Cl 2, etc. may occur when firing the precipitate, causing secondary phase contamination.

본 발명은 상기와 같은 종래의 방법이 지니고 있던 제반 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 수열합성법을 이용하면서, 2차상의 생성을 방지할 수 있는 원료물질을 선택하여 분말을 합성하고 생성 분말의 몰비를 개선할 수 있는 수세공정을 추가함으로서 효과적으로 다성분계 페롭스카이트형 나노분말을 제조할 수 있는 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법을 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve all the problems of the conventional method as described above, by using a hydrothermal synthesis method, by selecting a raw material that can prevent the formation of the secondary phase to synthesize the powder and the molar ratio of the resulting powder It is an object of the present invention to provide a hydrothermal synthesis method of perovskite-type nanopowders, which can effectively prepare a multi-component perovskite-type nanopowder by adding a washing process to improve the efficiency.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본발명의 일 실시예에 따른 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법은, 티타늄 함유 수산화물과 바륨함유 수산화물을 Ba/Ti의 비가 1.01 내지 1.02로 고정되도록 각각 정량하는 단계, 정량된 상기 티타늄 함유 수산화물과 상기 바륨함유 수산화물을 혼합하여 슬러리를 만드는 단계, 상기 슬러리를 열수 반응시켜 1차 티탄산바륨 분말을 만드는 단계, 상기 1차 티탄산바륨 분말을 수세하는 단계 및 수세된 상기 1차 티탄산바륨 분말을 소성하여 페롭스카이트형 나노분말을 제조하는 단계를 구비하고, 상기 나노분말은 정방정계 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. In the hydrothermal synthesis method of the perovskite-type nanopowder according to an embodiment of the present invention for solving the technical problem, the step of quantifying the titanium-containing hydroxide and barium-containing hydroxide so that the ratio of Ba / Ti is fixed to 1.01 to 1.02, Mixing the quantified titanium-containing hydroxide and the barium-containing hydroxide to form a slurry, hydrothermally reacting the slurry to form a primary barium titanate powder, washing the primary barium titanate powder, and washing the primary water Calcining the barium titanate powder to produce a perovskite-type nanopowder, wherein the nanopowder is tetragonal It is characterized by having a structure.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본발명의 다른 일 실시예에 따른 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법은, La(OH)3와 Fe(NO3)3·9H2O를 La/Fe의 비가 1로 고정되도록 각각 정량하는 단계, 정량된 상기 La(OH)3와 상기 Fe(NO3)3·9H2O를 혼합하여 슬러리를 만드는 단계, 상기 슬러리를 열수 반응시켜 1차분말을 만드는 단계, 수세된 상기 1차분말을 소성하여 페롭스카이트형 나노분말을 제조하는 단계를 구비하고, 상기 나노분말은 불순물이 없는 단일상의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention for solving the above technical problem, a method of hydrothermal synthesis of perovskite-type nanopowder includes La (OH) 3 and Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O, in which the ratio La / Fe is 1; Quantifying each so as to be fixed to, a step of making a slurry by mixing the quantified La (OH) 3 and the Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O, making a primary powder by hydrothermally reacting the slurry, water washing Calcining the primary powder to prepare a perovskite-type nanopowder, wherein the nanopowder has a single phase structure free of impurities.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본발명의 또 다른 일 실시예에 따른 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법은, La(OH)3, Sr(NO3)2, Co(NO3)2·6H2O 및 Fe(NO3)3·9H2O을 La:Sr:Co:Fe=0.6:0.4:0.2:0.8로 고정되도록 각각 정량하는 단계, 정량된 상기 La(OH)3, Sr(NO3)2, Co(NO3)2·6H2O 및 Fe(NO3)3·9H2O을 혼합하여 슬러리를 만드는 단계, 상기 슬러리를 열수 반응시켜 1차분말을 만드는 단계, 상기 1차분말을 소성하여 페롭스카이트형 나노분말을 제조하는 단계를 구비하고, 상기 나노분말은 불순물이 없는 단일상의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.Hydrothermal synthesis method of a perovskite-type nanopowder according to another embodiment of the present invention for solving the technical problem, La (OH) 3, Sr (NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 Quantifying O and Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O to be fixed at La: Sr: Co: Fe = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8, respectively, the quantified La (OH) 3, Sr (NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O and Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O to make a slurry, the hydrothermal reaction of the slurry to make a primary powder, firing the primary powder Preparing a perovskite-type nanopowder, wherein the nanopowder has a single phase structure free of impurities.

본 발명에 따른 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법에 의하면 하이드로카본이 함유된 원료 또는 금속계 광화제(KOH, NaOH 등)를 사용하지 않음으로써 2차상이 없는 단일상의 다성분계 페롭스카이트형 나노분말을 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.According to the hydrothermal synthesis method of the perovskite-type nanopowder according to the present invention, a single-phase multicomponent perovskite-type nanopowder without secondary phase is avoided by not using a hydrocarbon-containing raw material or a metal mineralizer (KOH, NaOH, etc.). There is an advantage that can be manufactured economically.

또한 생성 분말의 몰비를 조절하기 위한 수세 공정을 최적화함으로써 원하는 조성 혹은 몰비의 나노분말을 보다 간단하고 저렴하게 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, by optimizing the water washing process for controlling the molar ratio of the powder produced, there is an effect that can be prepared more simply and inexpensive nano powder of the desired composition or molar ratio.

도 1은 Ba 1%, Ba 2% 과잉으로 150℃에서 각각 수열 합성한 티탄산바륨의 수세 횟수에 따른 Ba/Ti 몰비 및 K-factor를 나타내는 도면이다.
도 2는 Ba 1%, Ba 2% 과잉으로 150℃에서 각각 수열 합성한 분말을 수세한 후 1000℃에서 소성시켰을 때 입자의 성장 모습을 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 3은 180℃에서 Ba 1%, 2%를 과잉으로 공급하여 각각 합성한 분말들의 수세에 따른 K-factor 변화와 입자 크기를 나타내는 도면이다.
도 4는 1%, 2% Ba을 과잉으로 공급하여 150℃에서 합성한 분말의 수세횟수에 따른 소성전후의 XRD 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 수열합성으로 제조한 LaFeO3 1차 분말을 소성온도와 시간 변화에 따라 소성한 후 생성된 분말의 XRD 결과와 고온소성법으로 제조한 분말의 XRD 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 고온소성법으로 합성한 분말과 수열합성법으로 합성후 1000℃에서 5시간 소성한 LaFeO3 분말의 전자현미경 사진이다.
도 7은 La(OH)3 (99.9%, Aldrich Co.), Sr(NO3)2 (99+%, Aldrich Co.), Co(NO3)2·6H2O(98+%, Aldrich Co.), Fe(NO3)3·9H2O (98+%, Aldrich Co.)의 시료를 조성비 (La:Sr:Co:Fe=0.6:0.4:0.2:0.8)로 칭량하여 1M 농도의 혼합물을 제조한 후 암모니아수 첨가가 없는 경우와 8 M의 암모니아수를 첨가한 경우, 각각 250℃에서 12시간 합성한 분말(1차 분말)들과 암모니아수 첨가로 제조한 분말을 600℃와 1000℃에서 각각 5시간 소성한 분말들의 XRD 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 La(OH)3 (99.9%, Aldrich Co.), Sr(NO3)2 (99+%, Aldrich Co.), Co(NO3)2·6H2O(98+%, Aldrich Co.), Fe(NO3)3·9H2O (98+%, Aldrich Co.)의 시료를 조성비 (La:Sr:Co:Fe=0.6:0.4:0.2:0.8)로 칭량하여 1M 농도의 혼합물을 제조한 후 암모니아수를 첨가하지 않고 수열합성한 1차 분말과 1차 분말을 1000℃에서 소성한 페롭스카이트 형 분말의 전자현미경 사진이다.
도 9는 암모니아수(3 M)를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우에 각각 450℃에서 수열 합성한 1차 분말의 XRD 결과와 400℃에서 3 M의 암모니아수를 첨가하여 수열 합성한 1차 분말의 XRD 결과를 나타내는 도면이다.
FIG. 1 is a diagram showing Ba / Ti molar ratio and K-factor according to the number of times of washing of barium titanate hydrothermally synthesized at 150 ° C. with Ba 1% and Ba 2% excess.
2 is an electron micrograph showing the growth of particles when the powders hydrothermally synthesized at 150 ° C. in excess of Ba 1% and Ba 2% were washed with water and then calcined at 1000 ° C. FIG.
3 is a diagram showing K-factor change and particle size according to water washing of powders synthesized by excessively supplying Ba 1% and 2% at 180 ° C.
Figure 4 is a diagram showing the XRD results before and after firing according to the number of washing times of the powder synthesized at 150 ℃ by supplying an excess of 1%, 2% Ba.
5 is a view showing the XRD results of the powder produced by firing the LaFeO 3 primary powder prepared by hydrothermal synthesis according to the firing temperature and time changes and the XRD results of the powder prepared by the high temperature baking method.
6 is an electron micrograph of a powder synthesized by a high temperature baking method and a LaFeO 3 powder fired at 1000 ° C. for 5 hours after synthesis by a hydrothermal synthesis method.
7 shows La (OH) 3 (99.9%, Aldrich Co.), Sr (NO 3 ) 2 (99 +%, Aldrich Co.), Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O (98 +%, Aldrich Co. .), Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O (98 +%, Aldrich Co.) was weighed in a composition ratio (La: Sr: Co: Fe = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8) to a mixture of 1M concentration In the case of no addition of ammonia water and the addition of 8 M ammonia water after the preparation, the powders (primary powder) synthesized at 250 ° C. for 12 hours and the powder prepared by the addition of ammonia water were respectively added at 600 ° C. and 1000 ° C., respectively. It is a figure which shows the XRD result of the powder which baked by time.
8 shows La (OH) 3 (99.9%, Aldrich Co.), Sr (NO 3 ) 2 (99 +%, Aldrich Co.), Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O (98 +%, Aldrich Co. .), Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O (98 +%, Aldrich Co.) was weighed in a composition ratio (La: Sr: Co: Fe = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8) to a mixture of 1M concentration It is an electron micrograph of the perovskite-type powder calcined at 1000 ° C. after the primary powder and primary powder which were hydrothermally synthesized without adding ammonia water.
FIG. 9 shows the XRD results of the primary powders hydrothermally synthesized at 450 ° C. with and without the addition of ammonia water (3 M), and the XRDs of the primary powders hydrothermally synthesized by adding 3 M ammonia at 400 ° C., respectively. It is a figure which shows a result.

본 발명에 따른 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법을 통해 A1-xA'xB1-yB'yO3-δ 형의 분말을 합성할 수 있다.Through the hydrothermal synthesis method of the perovskite-type nanopowder according to the present invention, it is possible to synthesize A 1-x A ' x B 1-y B' y O 3-δ type powder.

여기서 A, A'는 란탄계열 원소 또는 희토류 원소(IUPAC에 의해 지정된 바와 같이 원소주기율표의 원자번호 57(란탄)과 원자번호 71(루테늄) 사이의 원소)이고, B와 B'는 전이금속(원소주기율표의 4주기에 속하는 II족 또는 III족 금속)으로 티타늄, 바나듐, 크롬, 망간, 철, 코발트, 니겔, 구리 및 아연 등을 포함한다.Where A and A 'are lanthanide or rare earth elements (elements between atomic number 57 (lanthanum) and atomic number 71 (ruthenium) in the Periodic Table of Elements, as specified by IUPAC), and B and B' are transition metals (elements) Group II or III metals belonging to the fourth cycle of the periodic table), including titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nigel, copper and zinc.

이하에서 수열합성을 이용한 다성분계 페롭스카이트형 나노분말의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, a method for preparing a multicomponent perovskite-type nanopowder using hydrothermal synthesis will be described in detail.

금속의 질수산화물의 경우 공기중의 CO2와 반응해서 아래의 식(1)과 같이 탄산염을 생성할 수 있다. In the case of the metal nitrate, it can react with CO 2 in the air to form carbonate as shown in Equation (1) below.

M(OH)2·xH2O + CO2 → MCO3 + (x+1)H2O (1) M (OH) 2 · xH 2 O + CO 2 → MCO 3 + (x + 1) H 2 O (1)

여기서, M=Ba, Sr 등을 포함하는 주기율표 2족 원소이다.Here, it is a periodic table group 2 element containing M = Ba, Sr, etc.

이를 방지하기 위해 BaCO3와 같이 온도에 따른 용해도를 이용하여 분리 정량할 수 있고, CO2가 없는 질소로 충진된 글로브 박스(glove box) 안에서 칭량하여 용액을 제조하여 탄산염의 생성을 막을 수 있다. 이 때 소용량의 분말 합성의 경우 글로브 박스(glove box)에서 칭량 후 반응기 안에 용액을 주입하는 사이에 CO2의 흡수를 무시할 수 있으나 그 양이 대용량인 경우에는 흡수량을 무시할 수 없기 때문에 물에 용해될 수 있는 용존 CO2를 고려하여야 한다. In order to prevent this, it is possible to separate and quantify using solubility according to temperature, such as BaCO 3, and prepare a solution by weighing in a glove box filled with nitrogen without CO 2 to prevent the formation of carbonate. In the case of small-capacity powder synthesis, absorption of CO 2 can be neglected between the glove box and the solution injected into the reactor, but if the amount is large, the absorption can not be ignored. Possible dissolved CO 2 should be considered.

또한 원료 물질이 조해성이 있는 경우 미량의 수분이 포함될 수 있기 때문에 이를 고려해야 하여 M의 양을 2% 이하 더 바람직하게는 1% 이하로 과잉으로 공급할 수 있다. In addition, since a small amount of water may be included when the raw material is deliquescent, the amount of M may be excessively supplied to 2% or less, more preferably 1% or less.

정량을 맞춰 반응기에 혼합물을 주입한 후 온도, 농도, 용액의 pH 변화에 따라 수열합성이 아래와 같이 진행되며 이때 미반응 물질이나 과잉 물질의 경우 여과한 상등액의 ICP 분석을 통해 그 양을 계산할 수 있다. 예를 들어 BaTiO3와 같은 물질의 슬러리 반응의 경우 아래 식(2)와 같이 수열반응이 진행된다. After the mixture is injected into the reactor according to the quantification, hydrothermal synthesis proceeds according to temperature, concentration, and pH change of the solution as follows.In the case of unreacted or excess material, the amount can be calculated through ICP analysis of the filtered supernatant. . For example, in the case of slurry reaction of a material such as BaTiO 3 , hydrothermal reaction proceeds as shown in Equation (2) below.

Ba(OH)2·8H2O + TiO2·x(H2O) → BaTiO3 + (x+9)H2O (2)Ba (OH) 2 8 H 2 O + TiO 2 x (H 2 O) → BaTiO 3 + (x + 9) H 2 O (2)

LaFeO3의 경우는 용액으로 아래 식(3)과 같이 반응하여 페롭스카이트형 분말을 형성한다. In the case of LaFeO 3 to form a perovskite-type powder by the reaction as shown in the formula (3) below.

La(OH)2 + Fe(NO3)3·9H2O → LaFeO3 + xH2O + 3(NO3)- + yH+ (3) La (OH) 2 + Fe (NO 3 ) 3 9H 2 O → LaFeO 3 + xH 2 O + 3 (NO 3 ) - + yH + (3)

반응온도는 2성분계의 경우 80℃ 내지는 250℃ 이하에서 반응이 가능하나 120℃이하에서는 미반응물이 존재하며 바람직하게는 150℃에서 250℃가 적당하다. In the case of a two-component system, the reaction temperature may be reacted at 80 ° C. to 250 ° C. or lower, but an unreacted substance is present at 120 ° C. or lower, and preferably 150 ° C. to 250 ° C.

마지막으로 반응이 완결되면 분말은 반응 후 남아있는 여분의 미반응의 이온들과 암모니아수에서 생성된 이온들을 제거하기 위해 초순수(deionized water)를 이용하여 세척한다. 이때 세척 방법에 따라 금속의 일부가 용출될 수 있기 때문에 그 세척횟수는 몰비를 초기에 맞추었을 경우는 5회 이하 초기에 과잉으로 공급한 경우는 10회 이하로 하는 것이 바람직하다. Finally, when the reaction is completed, the powder is washed with deionized water to remove excess unreacted ions and ions generated in the ammonia water remaining after the reaction. At this time, since a part of the metal may be eluted according to the washing method, the washing frequency is preferably set to 10 times or less when the molar ratio is initially adjusted.

BaTiO3 합성의 경우 미반응 시 상온으로 냉각되면 공기 중의 CO2가 흡수되어 BaCO3를 형성할 수 있기 때문에 반응생성물을 서냉하여 약 50℃ 내지 60℃가 되었을 때 상등액을 제거한 후 여과하여 케이크를 제조한다. 이때 케이크 내에 존재하는 수산화기의 제거를 위해 케이크 무게에 해당하는 증류수로 세척하며 처음 세척 시 수산화기뿐 아니라 BaTiO3 몰당 약 0.00384mol의 Ba2+ 이온도 용출되고 수세 회수가 증가할수록 더 작은 양의 Ba2+ 이온이 용출되기는 하지만 계속적인 용출이 진행되기 때문에 수세는 5회 이상을 넘을 경우 몰비를 맞출 수 없다. In the case of BaTiO 3 synthesis, when cooled to room temperature when unreacted, CO 2 in the air may be absorbed to form BaCO 3 , so that the reaction product is slowly cooled to remove the supernatant when it is about 50 ° C. to 60 ° C., followed by filtration to prepare a cake. do. At this time, it is washed with distilled water corresponding to the weight of the cake to remove the hydroxyl groups present in the cake. At the first washing, not only the hydroxyl group but also about 0.00384 mol of Ba 2+ ions per 3 mol of BaTiO are eluted, and a smaller amount of Ba 2 is increased as the number of washings increases. + Ions are eluted, but the continuous elution proceeds, so if the water washing more than 5 times, the molar ratio cannot be matched.

또한 Sr을 포함하는 페롭스카이트 분말의 경우도 수세에 따라 Sr이 용출되며 이를 조절하기 위해서는 10회 이하 바람직하게는 5회 이하로 수세하여 미반응 이온을 제거하는 것이 적당하다. Also, in the case of perovskite powder containing Sr, Sr elutes with washing with water, and in order to control this, it is appropriate to wash with 10 times or less, preferably 5 times or less, to remove unreacted ions.

수세하여 얻은 1차 분말은 적당한 온도로 소성하여 결정화도를 높이거나 원하는 결정계로 변화시킬 수 있으며 BaTiO3의 경우 900℃ 내지 1300℃에서 소성을 통해 입방정에서 정방정계로 결정계를 바꿀 수 있으며, 1000℃ 이하에서는 정방정계로 전이가 작게 일어나며 1200℃이상에서는 소결이 일어나 과도한 입자성장이 되기 때문에 1100℃ 내지는 1250℃가 바람직하다. The primary powder obtained by washing with water can be calcined at an appropriate temperature to increase the crystallinity or change to a desired crystal system. In the case of BaTiO 3 , the crystal system can be changed from a cubic to a tetragonal system by firing at 900 ° C to 1300 ° C. In 1100 ° C to 1250 ° C is preferable because the transition to tetragonal occurs small and sintering occurs at 1200 ° C or more resulting in excessive grain growth.

LaFeO3나 La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ 분말의 경우는 1차 분말(primary powder)의 경우 Fe2O3 결정구조를 보이나 900℃ 내지 1300℃에서 소성을 하면 페롭스카이트 결정계로 변화하게 되고, 이와 같은 수세와 소성 과정을 통해서 500 nm 이하의 분말을 제조할 수 있다. In case of LaFeO 3 or La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3-δ powder, Fe 2 O 3 crystal structure is shown in the case of primary powder, but when firing at 900 ℃ to 1300 ℃, It is changed to a skye crystal system, and the powder of 500 nm or less can be prepared through such a washing and firing process.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 상세히 개시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태의 하나일 뿐, 본 발명의 보호범위가 이에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. The following examples are only one of the most preferred embodiments of the present invention, it is obvious that the protection scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예1> Example 1

실시예 1의 모든 실험은 500 ㎖ 오토클레이브(autoclave) 고압반응기를 이용하여 수행하였으며 티타늄함유 수산화물의 경우 비표면적이 335 m2/g 이고 강열감량에 따른 무게 감소는 16ㅁ2%이었다. All experiments of Example 1 were performed using a 500 ml autoclave autoclave, and the titanium-containing hydroxide had a specific surface area of 335 m 2 / g and a weight loss of 16 kWh 2% due to loss of ignition.

바륨수산화물의 경우 공업용 98% 순도의 원료를 사용하여 80℃에서 용해도 차이로 BaCO3를 제거하여 정량하였다. Ba/Ti는 1.01 혹은 1.02 로 고정하도록 칭량하여 반응 도중 생성될 수 있는 BaCO3를 보정하였다. 즉 Ba을 0.01 mol과 0.02 mol 더 첨가하여 반응을 수행하였으며 이때 생성되는 분말의 과잉 Ba의 영향 및 생성 분말의 수세에 따른 영향을 살펴보았다. Barium hydroxide was quantified by removing BaCO 3 at a solubility difference at 80 ° C. using an industrial 98% purity raw material. Ba / Ti was weighed to fix 1.01 or 1.02 to correct for BaCO 3 that could be generated during the reaction. That is, the reaction was performed by adding 0.01 mol and 0.02 mol of Ba, and the effect of excess Ba of the powder produced and the effect of washing with the produced powder were examined.

Ba(OH)2·8H2O은 80℃에서 30분 동안 용해시킨 후 Ti 시료를 고압반응기에 유입하였으며(혹은 동시에 주입 후), 반응온도는 150, 180℃로 변화시키면서 티탄산바륨을 제조하여 아래와 같이 분석하였다.
After dissolving Ba (OH) 2 · 8H 2 O at 80 ° C. for 30 minutes, the Ti sample was introduced into a high pressure reactor (or at the same time after injection), and barium titanate was prepared by changing the reaction temperature to 150 and 180 ° C. Analyzed as well.

1)결정구조1) crystal structure

각 조건에서의 수열 합성한 시료의 결정상 및 2차상을 조사하기 위하여 분말법으로 X-ray 회절 분석을 수행하였다. X-선 회절 장비는 Rigaku 분말 회절계 모델 D/Max 2200-Ultimaplus 시스템을 사용하였으며, 30kV, 40mA의 CuKα1광원(λ=1.54041Å)을 이용하여 0.02 간격으로 20∼70ㅀ범위에서 XRD 분석을 수행하였다.
In order to investigate the crystal phase and the secondary phase of the hydrothermally synthesized sample under each condition, X-ray diffraction analysis was performed by powder method. The X-ray diffractometer used Rigaku powder diffractometer model D / Max 2200-Ultima plus system, and XRD in 20 ~ 70 ㅀ at 0.02 step using CuK α1 light source (λ = 1.54041Å) of 30kV, 40mA The analysis was performed.

2) 정방정계 전이 2) tetragonal transition

본 발명에서는 소성 온도에 따른 정방정계의 전이를 k-factor를 이용하여 정량화 하였으며 정방정계와 입방정계의 전이 정도를 나타내는 k-factor는 아래 (4)식으로 표현할 수 있다.
In the present invention, the transition of the tetragonal system according to the firing temperature was quantified using a k-factor, and the k-factor representing the degree of transition between the tetragonal system and the cubic system can be expressed by the following equation (4).

Figure 112010029549408-pat00001
Figure 112010029549408-pat00001

3) 입자 형상 3) particle shape

각 반응조건에서 수열 합성한 시료 분말의 형태(morphology) 변화와 입경을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope:SEM)으로 관찰하였다. 미량의 시료를 카본 tape에 도포한 후, Ion Coater로 Au Coating한 후 2만배 배율로 시료를 관찰하였다.
The morphology change and particle size of the hydrothermally synthesized sample powder under each reaction condition were observed by scanning electron microscopy (SEM). After applying a small amount of sample to the carbon tape, the Au coating with an Ion Coater was observed at 20,000 times magnification.

4) Ba/Ti 몰비4) Ba / Ti molar ratio

금속의 몰비는 크게 습식법과 엑스알에프(X-ray Fluorescence Spectrometer: XRF)법이 있으며 티탄산바륨분말을 황산을 가해 녹인 후 이를 황산바륨과 티탄-큐페론 침전으로 형성시켜 칭량하는 습식법은 용해, 침전 과정에서 오염에 의한 오차가 존재하여 최근에는 간단히 분석할 수 있는 XRF법으로 대체되고 있다. The molar ratios of metals are largely wet and X-ray Fluorescence Spectrometer (XRF), and barium titanate powder is dissolved by adding sulfuric acid, and then formed by barium sulfate and titanium-cuperon precipitation. There is an error due to contamination in the recent years and has been replaced by the XRF method which can be analyzed simply.

본 발명에서는 일본 고순도 화학에서 구입한 Ba/Ti= 0.994, 0.996, 0.998, 1.000, 1.002 의 다섯 개의 표준물질을 이용하여 글래스 비드(glass bead)를 만들어 보정선을 구한 후 분석하였으며, 분석은 서울 기초과학지원연구원이 보유한 필립스 PW2404(Philips Analytical B.V.사 제품)를 이용하여 분석하였다. In the present invention, a glass bead was made by using five standard materials of Ba / Ti = 0.994, 0.996, 0.998, 1.000, and 1.002 purchased from Japan High Purity Chemistry, and the correction lines were obtained and analyzed. The analysis was performed using Philips PW2404 (manufactured by Philips Analytical BV) of the Scientific Research Institute.

도 1은 Ti 원료 물질을 2.0 mol, Ba 원료물질을 2.02 mol로 혼합한 Ba/Ti=1.01의 경우(Ba 1% 과잉, 도표상의 Ba 1%)와 Ti 원료 물질을 2.0 mol, Ba 원료물질을 2.04 mol로 혼합한 Ba/Ti=1.02의 경우(Ba 2% 과잉, 도표상의 Ba 2%)로 150℃에서 수열합성한 분말을 여과한 후 케이크로 제조하여, 케이크 무게에 해당하는 증류수로 세척한 횟수에 따른 Ba/Ti 비와 K-factor를 보여준다. FIG. 1 shows a case of Ba / Ti = 1.01, in which a Ti raw material is mixed with 2.0 mol and a Ba raw material with 2.02 mol (an excess of Ba 1%, Ba 1% on the chart) and 2.0 mol of a Ba raw material and a Ba raw material. In the case of Ba / Ti = 1.02 mixed with 2.04 mol (Ba 2% excess, Ba 2% on the chart), the hydrothermally synthesized powder was filtered at 150 ° C. to prepare a cake, and washed with distilled water corresponding to the cake weight. It shows Ba / Ti ratio and K-factor according to the number of times.

도 1에 도시된 바와 같이 1%, 2% Ba 과잉 합성 분말 모두 수세횟수가 증가함에 따라 Ba/Ti 비는 점차 감소하며, Ba 1% 과잉의 경우 2번, 3번 수세 사이에서, Ba 2% 과잉의 경우 6번과 7번 사이에서 각각 Ba/Ti 비는 1을 가진다. 그러나 K-factor는 Ba/Ti가 1인 수세 횟수가 아닌 Ba/Ti=1이 되는 마지막 수세 회수 보다 1∼2번 더 수세를 했을 경우 가장 높은 값을 가짐을 알 수 있다. 이는 바륨을 공급 시 Ba 원료 내에 포함된 BaCO3가 모두 제거되지 않았기 때문으로 판단된다. As shown in FIG. 1, the Ba / Ti ratio gradually decreases as the number of washes increases in both 1% and 2% Ba excess synthetic powders, and in the case of 1% excess Ba between 2 and 3 times, Ba 2% In case of excess, the Ba / Ti ratio is 1 between 6 and 7, respectively. However, it can be seen that the K-factor has the highest value when the water is washed one or two times more than the number of times the water washes Ba / Ti = 1, not the number of water washes Ba / Ti is one. This is because the BaCO 3 contained in the Ba raw material was not removed when barium was supplied.

따라서 ICP로 Ba 농도 계산 시에는 포함되지 않는 미량의 BaCO3가 분말에 존재하기 때문에 이 부분에 대한 제거로 K-factor가 높아지는 것으로 판단된다. K-factor값은 1%인 경우 4번 수세에서 약 6.94의 값을 가지며, 2%의 경우 9번에서 6.35의 값을 가진다. 더 낮은 농도인 Ti=2.0 M로 2시간 반응시켜서 얻은 값이기 때문에 이 K-factor 값은 한국 특허 제0542374 호에서 제시된 값(Ba=Ti=2.5 M, 6시간 반응, K-factor 6.94)보다 더 우수한 성능임을 알 수 있다. Therefore, the amount of BaCO 3 which is not included in the calculation of Ba concentration by ICP is present in the powder, so it is considered that the removal of this portion increases the K-factor. The value of K-factor is about 6.94 at 4 times of water at 1%, and 6.35 at 9% at 2%. This K-factor value is more than the value suggested by Korean Patent No. 0542374 (Ba = Ti = 2.5 M, 6 hour reaction, K-factor 6.94) because it is obtained by reacting for 2 hours at a lower concentration of Ti = 2.0 M. It can be seen that the excellent performance.

도 2는 Ba 1%, Ba 2% 과잉으로 150℃에서 각각 수열 합성한 분말을 수세한 후 1000℃에서 소성시켰을 때 입자의 성장 모습을 보여주는 SEM 사진이다. FIG. 2 is a SEM photograph showing the growth of particles when the powders hydrothermally synthesized at 150 ° C. in excess of Ba 1% and Ba 2% were washed with water and then calcined at 1000 ° C. FIG.

도 2를 참조하면, 1% Ba 과잉 반응의 경우 수세를 하지 않고 소성한 경우 200 nm의 1차 분말과 소성된 분말이 함께 존재하여 비정상 입자 성장이 되는 것을 알 수 있으며 14회 수세한 경우에도 Ba이 더 용출됨에 따라 입자형상이 고르지 않게 입자 성장되었음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 2, in the case of the 1% Ba excess reaction, when firing without washing with water, 200 nm primary powder and calcined powder are present together, resulting in abnormal grain growth. As this eluted more, it was confirmed that the grain shape was unevenly grown.

반면 4회 수세한 분말의 경우 고르게 입자가 성장했다는 것을 알 수 있고 그 크기는 약 400 nm 정도이다. 이와 같은 고른 입자성장은 K-factor를 높이는 결과를 가져오는 것으로 사료된다. 마찬가지로 2%의 합성분말도 수세를 하지 않은 경우 비정상적인 입자성장을 보이며 K-factor가 가장 좋은 9회 수세한 경우의 SEM 사진이 가장 고른 입도 분포를 보임을 알 수 있다. On the other hand, in the case of powder washed four times, it can be seen that the particles grow evenly and the size is about 400 nm. This even grain growth is thought to result in higher K-factor. Similarly, 2% of synthetic powder shows abnormal grain growth without washing with water, and SEM photographs with 9 times of washing with the best K-factor show the most even particle size distribution.

도 3은 180℃에서 Ba 1%, 2%를 과잉으로 공급하여 각각 합성한 분말들의 수세에 따른 K-factor 변화와 입자 크기를 보여준다. 특이한 점은 180℃의 경우 수세 횟수에 따라 K-factor 값이 증가하지 않고 일정하거나 감소한다는 점이다. Figure 3 shows the K-factor change and particle size according to the water washing of the synthesized powder by supplying an excess of 1% Ba, 2% at 180 ℃. What is unique is that at 180 ° C, the K-factor value does not increase or decreases with washing frequency.

이는 180℃에서 합성한 분말은 결정화도가 높아 수세에 의해 Ba의 제거가 쉽지 않다는 것을 보여주며, 입자 크기의 경우도 2% 넣은 경우와 1% 넣은 경우 모두 고른 입자 성장을 보이지 않아 SEM으로 측정하여 평균한 입자 크기가 400 nm 수준으로 증가하지 않는 것을 알 수 있다. This shows that the powder synthesized at 180 ° C has a high crystallinity and is not easy to remove Ba by washing with water, and even when the particle size is 2% and 1%, evenly grown particles do not show uniform particle growth and are measured by SEM. It can be seen that one particle size does not increase to the 400 nm level.

따라서 180℃에서 합성하는 경우는 수세에 의한 Ba 용출이 작기 때문에 되도록이면 Ba/Ti의 비를 정확히 1에 맞춰서 합성하는 것이 유리하다. Therefore, when synthesize | combining at 180 degreeC, since elution of Ba by water washing is small, it is advantageous to synthesize | combine Ba / Ti ratio exactly to 1 as much as possible.

도 4는 1%, 2% Ba을 과잉으로 공급하여 150℃에서 합성한 분말의 수세횟수에 따른 소성 전후의 XRD 결과를 보여준다. 소성 전 티탄산바륨 분말은 전형적인 페롭스카이트 단순 입방격자를 보이며, 1000℃에 소성한 분말은 모두 정방정계로 변한다. 또한 합성 후 수세를 하지 않은 분말보다 4, 5회 수세한 분말의 K-factor가 증가하지만, 14회 수세한 분말은 오히려 Ba/Ti 몰비가 1에서 벗어나서 다시 K-factor가 감소하는 것을 알 수 있다.
Figure 4 shows the XRD results before and after firing according to the number of times of washing the powder synthesized at 150 ℃ by supplying an excess of 1%, 2% Ba. The barium titanate powder before firing exhibits a typical perovskite simple cubic lattice, and all the powders calcined at 1000 ° C are tetragonal. In addition, the K-factor of the powder washed four times and five times is increased compared to the powder not washed with water after synthesis, but the 14-washed powder has a Ba / Ti molar ratio of deviated from 1, indicating that the K-factor decreases again. .

<실시예2> Example 2

실시예 2의 실험도 500 ㎖ 오토클레이브(autoclave) 고압반응기를 이용하여 수행하였으며 사용된 원료는 시약급 La(OH)3 (99.9%, Aldrich Co.), Fe(NO3)3·9H2O (98+%, Aldrich Co.)으로 조성대비(1:1)로 칭량하여 1M 농도의 혼합물을 제조한 후 250∼450℃에서 2시간 수열합성시켜 2성분계 페롭스카이트 분말을 제조하였다. The experiment of Example 2 was also performed using a 500 ml autoclave autoclave and the raw materials used were reagent grade La (OH) 3 (99.9%, Aldrich Co.), Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O. (98 +%, Aldrich Co.) was weighed in a ratio of composition (1: 1) to prepare a mixture of 1M concentration, and then hydrothermally synthesized at 250 to 450 ° C. for 2 hours to prepare a bicomponent perovskite powder.

각 조건에서의 수열 합성한 LaFeO3 시료의 결정상 및 2차상을 조사하기 위하여 분말법으로 X-ray 회절 분석을 수행하였다. X-선 회절 장비는 Rigaku 분말 회절계 모델 D/Max 2200-Ultimaplus 시스템을 사용하였으며, 30kV, 40mA의 CuKα1광원(λ=1.54041Å)을 이용하여 0.02 간격으로 2θ 20∼70ㅀ범위에서 XRD 분석을 수행하였다. In order to investigate the crystal phase and the secondary phase of the hydrothermally synthesized LaFeO 3 sample under each condition, X-ray diffraction analysis was performed by powder method. The X-ray diffractometer used Rigaku powder diffractometer model D / Max 2200-Ultima plus system, and XRD in 20 ~ 70 ㅀ at 0.02 step using CuK α1 light source (λ = 1.54041Å) of 30kV, 40mA The analysis was performed.

또한 수열 합성한 시료 분말의 형태(morphology) 변화와 입경을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope:SEM)으로 관찰하였다. 미량의 시료를 카본 tape에 도포한 후, Ion Coater로 Au Coating한 후 2만배 배율로 시료를 관찰하였다. 모든 반응온도에서는 합성 후 얻어진 분말과 수세후의 분말의 XRD는 Fe2O3 분말(JCPDS No. 33-0664)의 피크만 보여준다. In addition, the morphology change and particle diameter of the hydrothermally synthesized sample powder were observed by scanning electron microscope (SEM). After applying a small amount of sample to the carbon tape, the Au coating with an Ion Coater was observed at 20,000 times magnification. At all reaction temperatures, XRD of the powder obtained after synthesis and the powder after washing show only peaks of Fe 2 O 3 powder (JCPDS No. 33-0664).

상기의 1차 분말은 250∼450℃에서 암모니아수를 1 M∼3 M을 첨가하여도 LaFeO3 분말은 형성되지 않으며, 소성온도도 600℃에서 10시간 소성한 경우나 1000℃ 2시간 소성의 경우에 LaFeO3 분말은 형성되지 않았다. 그러나 Fe2O3를 보인 1차 분말을 1000℃에서 5시간 소성하면, LaFeO3 분말(JCPDS 37-1493)이 형성되는 것을 알 수 있었다. LaFeO 3 powder is not formed even when 1 M to 3 M of ammonia water is added at 250 to 450 ° C., and the firing temperature is also fired at 600 ° C. for 10 hours or 1000 ° C. for 2 hours. LaFeO 3 powder was not formed. However, it was found that when the primary powder showing Fe 2 O 3 was calcined at 1000 ° C. for 5 hours, LaFeO 3 powder (JCPDS 37-1493) was formed.

따라서 LaFeO3 분말 합성의 최적 조건은 250℃에서 암모니아수 첨가 없이 수열합성한 후 1000℃에서 5시간 이상 소성하는 것이다. 이 때 1차 분말 및 소성 분말의 합성 후 수세한 경우나 수세를 하지 않은 경우의 영향은 거의 찾아 볼 수 없었다. Therefore, the optimal condition for LaFeO 3 powder synthesis is to hydrothermally synthesize at 250 ° C. without adding ammonia water and then to bake at 1000 ° C. for at least 5 hours. At this time, the effect of washing with water after synthesis of primary powder and calcined powder or without washing with water was hardly found.

도 5는 1차 분말의 소성온도와 시간 변화에 따른 분말의 XRD 결과와 고온소성법으로 제조한 분말의 XRD 결과를 보여준다. 5 shows the XRD results of the powders and the XRD results of the powders prepared by the high temperature firing method according to the firing temperature and the time change of the primary powders.

도 6은 고온소성법으로 합성한 분말과 수열합성법으로 합성한 분말의 분말형상을 보여준다. 도 6의 고온소성법으로 합성한 분말의 분말형상은 도 5의 XRD 결과의 분말의 형상과 동일하다. 6 shows the powder form of the powder synthesized by the high temperature baking method and the powder synthesized by the hydrothermal synthesis method. The powder form of the powder synthesized by the high temperature firing method of FIG. 6 is the same as that of the powder of the XRD result of FIG. 5.

고온소성법의 경우 각각의 산화물을 이용하여 볼밀로 혼합한 후 1000℃에서 5시간 동안 소성한 분말이고, 수열합성법의 경우 1차 분말을 1000℃에서 5시간 동안 소성한 것이다. 같은 온도에서 동일 시간 소성하였으나 고온소성법보다 수열합성 분말의 크기가 두 배 정도 더 작고, 수열합성 분말의 경우 약 200 nm 정도의 크기를 보인다.
In the case of high-temperature firing, the powder is calcined at 1000 ° C. for 5 hours after mixing with each oxide using a ball mill. In the case of hydrothermal synthesis, the primary powder is calcined at 1000 ° C. for 5 hours. Although calcined at the same temperature for the same time, the size of the hydrothermal powder is twice smaller than that of the high-temperature firing method, and the size of the hydrothermal powder is about 200 nm.

<실시예3> Example 3

실시예 3의 실험은 오토클레이브(autoclave) 고압반응기를 이용하여 시약급 La(OH)3 (99.9%, Aldrich Co.), Sr(NO3)2 (99+%, Aldrich Co.), Co(NO3)2·6H2O(98+%, Aldrich Co.), Fe(NO3)3·9H2O (98+%, Aldrich Co.)의 시료를 몰비율에 맞게 조성비 (La:Sr:Co:Fe=0.6:0.4:0.2:0.8)로 칭량하여 1M 농도의 혼합물을 제조한 후 암모니아수를 첨가한 경우와 암모니아수를 첨가하지 않은 경우에 250℃에서 2∼12시간 동안 수열합성시켜 4성분계 페롭스카이트 분말을 제조하였다. 앞서 250℃에서 LaFeO3 분말합성이 가능하였기 때문에 온도는 250℃로 고정하였다. 분석은 실시예 2와 같이 XRD와 SEM 분석을 수행하였다. The experiment of Example 3 was carried out using reagent grade La (OH) 3 (99.9%, Aldrich Co.), Sr (NO 3 ) 2 (99 +%, Aldrich Co.), Co (R) using an autoclave autoclave. NO 3 ) 2 · 6H 2 O (98 +%, Aldrich Co.), Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O (98 +%, Aldrich Co.) samples according to the molar ratio (La: Sr: Co: Fe = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8) to prepare a mixture of 1M concentration and then hydrothermally synthesized at 250 ° C. for 2 to 12 hours when ammonia water was added and ammonia water was not added. Skyt powder was prepared. Since the LaFeO 3 powder synthesis was possible at 250 ° C., the temperature was fixed at 250 ° C. The analysis was performed XRD and SEM analysis as in Example 2.

도 7은 암모니아수 첨가가 없는 경우와 8 M의 암모니아수를 첨가한 경우, 각각 250℃에서 12시간 합성한 분말(1차 분말)들과 이 분말들을 600℃와 1000℃에서 각각 5시간 소성한 분말의 XRD 결과를 보여준다. 7 shows powders (primary powders) synthesized at 250 ° C. for 12 hours and no powders calcined at 600 ° C. and 1000 ° C. for 5 hours, respectively, when no ammonia water was added and 8 M ammonia water was added. Show XRD results.

암모니아수를 주입하지 않고 수열합성한 분말의 경우 페롭스카이트 구조를 보이지 않고 Fe2O3를 결정구조를 보이나, 8 M의 암모니아수를 첨가한 경우는 Fe2O3 대신 La(OH)3가 생성되었다. 반면에 암모니아수에 상관없이 합성한 1차 분말을 600℃에서 소성하면 점차로 페롭스카이트 구조가 생성되다가, 1000℃에서 소성하면 2차 상 없는 페롭스카이트 구조가 생성되었다. In the case of hydrothermally synthesized powder without ammonia water, Fe 2 O 3 crystallized without perovskite structure, but when 8 M ammonia water was added, La (OH) 3 was formed instead of Fe 2 O 3. . On the other hand, firing the synthesized primary powder regardless of the ammonia water at 600 ℃ gradually produced a perovskite structure, and firing at 1000 ℃ produced a perovskite structure without secondary phase.

이는 반응용액의 pH에 따라 1차 합성 분말이 달라지는 것을 의미하며 용액의 pH가 낮은 조건(pH=1.5)에서는 Fe2O3를 결정이 생성되고, pH가 높은 조건(pH=9.5)에서는 OH-기가 상대적으로 많아서 La(OH)3가 주도적으로 생성되는 것을 알 수 있다.This means that the primary synthetic powder changes according to the pH of the reaction solution. Crystals of Fe 2 O 3 are formed under low pH (pH = 1.5) and OH under high pH (pH = 9.5). It can be seen that La (OH) 3 is dominantly produced due to the relatively large number of groups.

pH가 중간 영역인 1 M의 암모니아를 첨가한 후 반응시킨 경우는 Fe2O3와 La(OH)3의 두가지 결정이 동시에 존재하였다. 그러나 이 두 가지 결정 내에는 미반응한 다른 금속이 함께 존재하며 수세를 하지 않고 소성을 하게 되면 다른 결정들과 반응하여 페롭스카이트 형 분말을 형성하게 된다. In the case where the reaction was carried out after adding 1 M ammonia in the middle pH, two crystals, Fe 2 O 3 and La (OH) 3 , were present at the same time. In these two crystals, however, other unreacted metals coexist, and when fired without washing, they react with other crystals to form perovskite powder.

이 때 pH가 낮은 조건에서 합성한 분말을 여러 차례 수세하게 되면 결정에 존재하는 금속성분이 용출되어 소성 후에도 Fe2O3가 생성되고, pH가 높은 조건에서 수세를 하면 마찬가지로 존재하는 금속성분이 용출되어 소성 후에 La(OH)3가 생성된다. 따라서 이 경우에는 수세를 하지 않고 소성할수록 페롭스카이트 분말의 생성에 유리하다. At this time, when the powder synthesized under low pH conditions is washed several times, the metal component present in the crystal is eluted, and Fe 2 O 3 is formed even after firing. And La (OH) 3 is produced after firing. In this case, therefore, firing without washing with water is advantageous for producing perovskite powder.

La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ의 조성으로 합성한 분말의 실제 La, Sr, Co 및 Fe 금속의 원자비율이 초기 칭량한 La:Sr:Co:Fe=0.6:0.4:0.2:0.8 대로 합성되었는지를 확인하기 위해 유도 결합 플라스마 발광광도법(ICP-OES, Inductively Coupled Plasma - Optical Emission Spectrometer, Perkin-Elmer Co.)으로 소성 후 분말을 분석하였다. La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-δ composition actual La, Sr, the atomic ratio of Co and Fe metal powder synthesized by the initial weighing the La: Sr: Co: Fe = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8 Powders were analyzed after firing by inductively coupled plasma luminescence spectroscopy (ICP-OES, Inkinly Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer, Perkin-Elmer Co.).

ICP 분석에서 La 1050ppm, Sr 600ppm, Co 101.5ppm, Fe 760ppm이 검출되었으며, La:Sr:Co:Fe=0.6:0.4:0.2:0.8에 정확하게 일치하지는 않지만 서로 같은 격자 사이로 들어가는 (La, Sr)의 비와 (Co, Fe)의 비율을 보면 La:Sr= 0.64:0.36, Co:Fe=0.12:0.88 로 그 비율이 초기 칭량한 원자비에 접근함을 알 수 있다. ICP analysis detected La 1050ppm, Sr 600ppm, Co 101.5ppm, Fe 760ppm, and did not exactly match La: Sr: Co: Fe = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8, but did not exactly match (La, Sr) The ratio of (Co, Fe) to La: Sr = 0.64: 0.36 and Co: Fe = 0.12: 0.88 shows that the ratio approaches the initially weighed atomic ratio.

따라서 250℃에서 수열합성한 분말을 최소한으로 수세하고, 1000℃에서 소성하면 4성분계의 페롭스카이트 형 분말을 합성할 수 있다. Therefore, when the hydrothermally synthesized powder is washed with water at a minimum of 250 ° C and calcined at 1000 ° C, a four-component perovskite powder can be synthesized.

도 8은 La(OH)3 (99.9%, Aldrich Co.), Sr(NO3)2 (99+%, Aldrich Co.), Co(NO3)2·6H2O(98+%, Aldrich Co.), Fe(NO3)3·9H2O (98+%, Aldrich Co.)의 시료를 조성비 (La:Sr:Co:Fe=0.6:0.4:0.2:0.8)로 칭량하여 1M 농도의 혼합물을 제조한 후 암모니아수를 첨가하지 않고 수열합성한 1차 분말과 수열합성 후 수세없이 1000℃에서 소성한 페롭스카이트 형 분말의 SEM 형상을 보여준다. 8 shows La (OH) 3 (99.9%, Aldrich Co.), Sr (NO 3 ) 2 (99 +%, Aldrich Co.), Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O (98 +%, Aldrich Co. .), Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O (98 +%, Aldrich Co.) was weighed in a composition ratio (La: Sr: Co: Fe = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8) to a mixture of 1M concentration After the preparation, shows the SEM shape of the primary powder synthesized by hydrothermal synthesis without the addition of ammonia water and the perovskite-type powder calcined at 1000 ° C without washing with water after hydrothermal synthesis.

수열합성 후 1차 분말의 경우 약 100∼120 nm의 입자 크기를 보이며 둥근 형상을 가진 반면 상기 분말을 1000℃에서 소성한 분말은 약 500 nm 크기의 불규칙한 형상을 보인다. 형상이 완전히 다른 것으로부터 1차 분말의 결정구조와 소성분말의 결정구조가 다르다는 것을 알 수 있으며, 1차 분말 입자 안에 있던 비정질 형태의 다른 금속들이 소성 시 반응하여 페롭스카이트 형 격자구조를 새롭게 형성하는 것으로 판단된다.
After hydrothermal synthesis, the primary powder shows a particle size of about 100 to 120 nm and has a round shape, whereas the powder calcined at 1000 ° C. shows an irregular shape of about 500 nm. It can be seen that the crystal structure of the primary powder is different from that of the small powder due to the completely different shape, and other amorphous metals in the primary powder particles react upon firing to newly form a perovskite lattice structure. I think that.

<실시예4> Example 4

실시예 3과 동일한 반응기에 동일한 시료를 가지고 4성분계 복합산화물을 합성하였으며, 이때 반응온도는 300∼450℃로 변화시켰고, 암모니아수를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우로 나누어서 실험을 수행하였다. 분석은 실시예 3과 동일한 분석기로 분석하였다. Four-component composite oxides were synthesized with the same sample in the same reactor as in Example 3, and the reaction temperature was changed to 300 to 450 ° C., and the experiment was performed by dividing the case with or without the addition of ammonia water. The analysis was analyzed by the same analyzer as in Example 3.

도 9는 450℃에서 암모니아수(3 M)를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우에 각각 수열 합성한 1차 분말의 XRD 결과와 400℃에서 3 M의 암모니아수를 첨가하여 수열 합성한 1차 분말의 XRD 결과를 비교해서 보이고 있다. Fig. 9 shows the XRD results of the primary powders hydrothermally synthesized with and without the addition of ammonia water (3 M) at 450 ° C, and the XRD of the primary powders hydrothermally synthesized by adding 3M ammonia water at 400 ° C. The results are shown by comparison.

암모니아수를 첨가하지 않은 경우는 페롭스카이트 결정이 일부 생성되고 다른 불순물이 많은 반면, 암모니아수를 첨가한 경우는 페롭스카이트 구조가 1차 분말부터 주 생성물로 형성되는 것을 알 수 있으며 온도가 증가할수록 불순물 함량이 감소하는 것을 알 수 있다. 암모니아수 농도를 증가시키면 점차 Fe2O3가 감소하며 5 M∼8 M의 암모니아수를 첨가하여 450℃로 수열합성 시킬 경우 Fe2O3는 거의 사라지며 단일상의 페롭스카이트 구조가 형성되었다. 이 때 분말의 입경은 약 10∼20 nm로 이 입자크기는 구연산법으로 동일 조성을 합성할 경우 입자크기인 5∼10 ㎛보다 1000배 정도 작은 수준이다. When ammonia water is not added, the perovskite crystals are partially formed and other impurities are abundant, whereas when ammonia water is added, the perovskite structure is formed from the primary powder to the main product. It can be seen that the content decreases. Increasing the concentration of ammonia water, Fe 2 O 3 gradually decreased, and when the hydrothermal synthesis at 450 ℃ by adding ammonia water of 5 M ~ 8 M Fe 2 O 3 almost disappeared to form a single-phase perovskite structure. At this time, the particle size of the powder is about 10 to 20 nm and the particle size is about 1000 times smaller than the particle size of 5 to 10 μm when synthesizing the same composition by citric acid method.

따라서 4성분계 금속 복합 산화물을 수열합성 할 때 페롭스카이트 단일상 분말을 생성할 수 있는 최적 조건은 암모니아수를 3 M에서 8 M, 더 바람직하게는 5 M에서 8 M을 주입하여 250℃에서 450℃ 범위에서 더 바람직하게는 400℃에서 450℃로 합성하는 것이다. Therefore, the optimum conditions for producing perovskite single-phase powder when hydrothermal synthesis of the four-component metal complex oxide is injected from a water of 3 M to 8 M, more preferably 5 M to 8 M to 250 ℃ to 450 ℃ More preferably in the range is synthesized from 400 ℃ to 450 ℃.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시양태를 예시적으로 설명한 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되지 아니함은 당연하다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형과 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다. The technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, but this is only illustrative of the most preferred embodiments of the present invention, and the present invention is not limited thereto. In addition, any person skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and imitations by the description of the present specification, but it will be apparent that the present invention is not outside the scope of the present invention.

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법에 있어서,
(a)수산화칼륨 및 수산화나트륨을 사용하지 않으면서 La(OH)3, Sr(NO3)2, Co(NO3)2·6H2O 및 Fe(NO3)3·9H2O을 La:Sr:Co:Fe=0.6:0.4:0.2:0.8로 고정되도록 각각 정량하는 단계;
(b)정량된 상기 La(OH)3, Sr(NO3)2, Co(NO3)2·6H2O 및 Fe(NO3)3·9H2O을 혼합하여 슬러리를 만드는 단계;
(c)상기 슬러리에 암모니아수를 5M 내지 8M을 첨가하고, 250℃ 내지 450℃에서 열수 반응시켜 1차분말을 만드는 단계; 및
(d)상기 1차분말을 900℃ 내지 1000℃에서 소성하여 페롭스카이트형 나노분말을 제조하는 단계를 구비하고,
상기 나노분말은 불순물이 없는 단일상의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법.
In the hydrothermal synthesis method of the perovskite type nanopowder,
(a) La (OH) 3, Sr (NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O and Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O without using potassium hydroxide and sodium hydroxide were converted into La: Quantifying each to fix Sr: Co: Fe = 0.6: 0.4: 0.2: 0.8;
(b) mixing the quantified La (OH) 3, Sr (NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O and Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O to form a slurry;
(c) adding 5M to 8M of ammonia water to the slurry and making a primary powder by hydrothermal reaction at 250 ° C to 450 ° C; And
(d) calcining the primary powder at 900 ° C. to 1000 ° C. to produce a perovskite-type nanopowder,
The nanopowder has a single phase structure free of impurities, hydrothermal synthesis method of a perovskite-type nanopowder, characterized in that.
삭제delete 삭제delete 제 4항에 있어서, 상기 (c)단계 이후
(c1)상기 1차 분말을 수세하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 페롭스카이트형 나노분말의 수열합성 방법.
The method of claim 4, wherein after step (c)
(c1) A hydrothermal synthesis method of perovskite-type nanopowder, further comprising the step of washing the primary powder.
삭제delete
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