一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的方法
阅读说明：本技术 一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的方法 (Flower-shaped SrTiO prepared by rotary evaporation method3Method for preparing nano material ) 是由 焦华 靳洁晨 赵康 张鑫媛 周雪蕊 汤玉斐 白嘉瑜 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的方法,属于功能材料技术领域。该方法采用碳酸锶(SrCO3)作为锶源,钛酸丁酯(C16H36O4Ti)作为钛源,柠檬酸作为螯合剂(同时可以起到抑制钛醇盐的水解的作用),在不同浓度强碱体系的作用下,利用旋转蒸发反应控制SrTiO3晶体的生长速度,成功制备出SrTiO3纳米材料。该方法成本低、简单易行且重复性很好,合成的SrTiO3纳米材料性能高、稳定性好,适合大规模生产,能够推进功能材料商业化进程。(The invention discloses a method for preparing a flower-shaped SrTiO3 nano material by using a rotary evaporation method, and belongs to the technical field of functional materials. According to the method, strontium carbonate (SrCO3) is used as a strontium source, butyl titanate (C16H36O4Ti) is used as a titanium source, citric acid is used as a chelating agent (the chelating agent can play a role in inhibiting hydrolysis of titanium alkoxide), and under the action of strong base systems with different concentrations, the growth rate of SrTiO3 crystals is controlled by using a rotary evaporation reaction, so that the SrTiO3 nano material is successfully prepared. The method has the advantages of low cost, simplicity, easy implementation and good repeatability, and the synthesized SrTiO3 nano material has high performance and good stability, is suitable for large-scale production, and can promote the commercialization process of functional materials.)
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，具体为一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的方法。
背景技术
钛酸锶(SrTiO3)为典型的ABO3钙钛矿型结构的复合金属氧化物，具有高介电常数、低介电损耗以及较好的热稳定性，是电子工业中应用较为广泛的一种电子功能陶瓷材料，可用于制造高压电容器、晶界层电容器、压敏电阻、热敏电阻、氧敏元件以及电容-压敏复合功能元件等，且制造出的电子器件具有高性能、高可靠性、体积小等特点。同时作为功能材料，SrTiO3禁带宽度高、光催化活性优良且具有独特的电磁性质和氧化还原催化活性，在光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物和光化学电池等光催化领域也得到了广泛的应用。
目前，制备SrTiO3粉体的方法主要有固相法和液相法。固相法是制备SrTiO3的传统方法，主要包括传统固相法和机械力化学法，其制备工艺简单、生产成本低，但一般需要的煅烧温度较高，且制得的SrTiO3粉体杂质含量高、团聚严重、粒径分布不均匀且颗粒尺寸较大，从而极大的影响了产品的性能。随着电子行业的发展以及对材料性能要求的增加，需要严格调控产物的晶粒尺寸、纯度、粒度和形貌等，所以由此产生了水热法、溶胶-凝胶法、化学共沉淀法、模板法以及熔盐法等液相法制备SrTiO3粉体，这些液相反应可以合成具有高纯度和均匀尺寸的纳米以及微米尺度的SrTiO3材料，但其均存在反应过程不易控制、反应不完全、反应时间较长、设备要求较高等缺点。
由于各个行业对功能材料性能的要求越来越高，对粉体的性能要求也更加严格，因而研究出一种制备工艺简单、成本低廉、生产过程无污染、产物无毒无害且高纯超细、组分均匀可控的SrTiO3陶瓷粉体具有非常重要的战略意义和紧迫的实际价值。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的方法。研究出一种制备工艺简单、成本低廉、生产过程无污染、产物无毒无害且高纯超细、组分均匀可控的SrTiO3 陶瓷粉体。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的方法，包括如下步骤：
步骤1，配制锶盐溶液：取SrCO3于烧杯中并加入去离子水，搅拌至完全溶解得到无色透明溶液，另取C6H8O7加入其中，搅拌均匀得到白色浊液并有大量气泡产生，即为锶盐溶液；
步骤2，配制钛盐溶液：量取适量C16H36O4Ti于烧杯中并加入无水乙醇，充分混合得到钛盐溶液；
步骤3，配制碱性溶液：取NaOH粉末，将NaOH粉末逐次溶于去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；
步骤4，配制SrTiO3前躯体溶液：将步骤1得到的锶盐溶液与步骤2得到的钛盐溶液混合，搅拌均匀后加入步骤3得到的NaOH溶液，继续搅拌至上层澄清、下层为白色浊液，即为SrTiO3前躯体溶液；
步骤5，旋转蒸发制备SrTiO3前驱体粉末：将步骤4得到的SrTiO3前驱体溶液移入茄形瓶中，进行旋转蒸发反应，离心洗涤后置于烘箱干燥，得到SrTiO3前驱体粉末；
步骤6，高温烧结制备SrTiO3纳米材料：将步骤5得到的SrTiO3前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即得到SrTiO3纳米材料。
优选的，所述步骤1中C6H8O7与SrCO3的摩尔比为1：1，所加入去离子水与SrCO3的质量比为5-10：1。
优选的，所述步骤2中C16H36O4Ti与SrCO3的摩尔比为1：1，无水乙醇与C16H36O4Ti的质量比为1-3：1。
优选的，所述步骤3中NaOH与SrCO3的摩尔比为10：1，所加入去离子水与NaOH的质量比为3-5：1，NaOH粉末加入去离子水的过程分5-10次加入。
优选的，所述步骤5中旋转蒸发的条件为：先在142Mbar、55℃下旋蒸60-100min，再在72Mbar、60℃下旋蒸100-150min；离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；干燥条件为： 60℃干燥24-48h。
优选的，所述步骤6中高温煅烧的温度选择650℃和800℃任意一个温度，高温煅烧的时间为120min。
(三)有益效果
本发明提供了一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的方法。具备以下有益效果：
采用碳酸锶(SrCO3)作为锶源，钛酸丁酯(C16H36O4Ti)作为钛源，柠檬酸作为螯合剂(同时可以起到抑制钛醇盐的水解的作用)，在不同浓度强碱体系的作用下，利用旋转蒸发反应控制SrTiO3晶体的生长速度，成功制备出SrTiO3纳米材料。该方法成本低、简单易行且重复性很好，合成的SrTiO3纳米材料性能高、稳定性好，适合大规模生产，能够推进功能材料商业化进程。
该方法采用碳酸锶(SrCO3)作为锶源，钛酸丁酯(C16H36O4Ti)作为钛源，柠檬酸作为螯合剂(同时可以起到抑制钛醇盐的水解的作用)，在不同浓度强碱体系的作用下，利用旋转蒸发反应控制SrTiO3 晶体的生长速度，成功制备出SrTiO3纳米材料。该方法成本低、简单易行且重复性很好，合成的SrTiO3纳米材料性能高、稳定性好，适合大规模生产，能够推进功能材料商业化进程。
附图说明
图1为本发明提供的一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的工艺流程图；
图2为本发明实施例6制备得到的花状SrTiO3纳米材料的X射线衍射图谱；
图3为本发明实施例1-6制备得到的花状SrTiO3纳米材料的扫描电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种利用旋转蒸发法制备花状SrTiO3纳米材料的方法与流程，如图1工艺流程图所示，具体操作步骤如下：
步骤1，配制锶盐溶液：取SrCO3于烧杯中并加入去离子水，搅拌至完全溶解得到无色透明溶液，另取C6H8O7加入其中，搅拌均匀得到白色浊液并有大量气泡产生，即为锶盐溶液；其中C6H8O7与 SrCO3的摩尔比为1：1，所加入去离子水与SrCO3的质量比为5-10： 1。
步骤2，配制钛盐溶液：取C16H36O4Ti于烧杯中并加入无水乙醇，充分混合得到钛盐溶液；其中C16H36O4Ti与SrCO3的摩尔比为1：1，无水乙醇与C16H36O4Ti的质量比为1-3：1。
步骤3，配制碱性溶液：取NaOH粉末，将称取的NaOH粉末分量逐次溶于去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；其中NaOH与SrCO3的摩尔比为10：1，所加入去离子水与NaOH的质量比为3-5：1， NaOH粉末加入去离子水的过程分5-10次加入。
步骤4，配制SrTiO3前躯体溶液：将步骤1得到的锶盐溶液与步骤2得到的钛盐溶液混合，搅拌均匀后加入步骤3得到的NaOH溶液，继续搅拌至上层澄清、下层为白色浊液，即为SrTiO3前躯体溶液；
步骤5，旋转蒸发制备SrTiO3前驱体粉末：将步骤4得到的SrTiO3前驱体溶液移入茄形瓶中，在一定参数下发生旋转蒸发反应，离心洗涤后置于烘箱干燥，得到SrTiO3前驱体粉末；其中旋转蒸发的条件为：先在142Mbar、55℃下旋蒸60-100min，再在72Mbar、60℃下旋蒸100-150min；离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；干燥条件为：60℃干燥24-48h。
步骤6，高温烧结制备SrTiO3纳米材料：将步骤5得到的SrTiO3前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到SrTiO3纳米材料；其中高温煅烧的温度分别选择650℃和800℃，高温煅烧的时间为120min。
实施例1：
步骤1，配制锶盐溶液：称取0.1mol(15g)SrCO3于烧杯中并加入100mL去离子水，搅拌至完全溶解得到无色透明溶液，另称0.1 mol(21g)C6H8O7加入其中，搅拌均匀得到白色浊液并有大量气泡产生，即为锶盐溶液；
步骤2，配制钛盐溶液：量取0.1mol(35mL)C16H36O4Ti于烧杯中并加入35mL无水乙醇，充分混合得到钛盐溶液；
步骤3，配制碱性溶液：称取1mol(42g)NaOH粉末，将称取的 NaOH粉末分5次逐次溶于100mL去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；
步骤4，配制SrTiO3前躯体溶液：将步骤1得到的锶盐溶液与步骤2得到的钛盐溶液混合，搅拌均匀后加入步骤3得到的NaOH溶液，继续搅拌至上层澄清、下层为白色浊液，即为SrTiO3前躯体溶液；
步骤5，旋转蒸发制备SrTiO3前驱体粉末：将步骤4得到的SrTiO3前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142Mbar、55℃下旋蒸60min，再在72Mbar、60℃下旋蒸100min，发生旋转蒸发反应；然后离心洗涤，先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥24h，得到SrTiO3前驱体粉末；
步骤6，高温烧结制备SrTiO3纳米材料：将步骤5得到的SrTiO3前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到SrTiO3纳米材料；其中高温煅烧的温度为650℃，高温煅烧的时间为120 min。
实施例2：
步骤1，配制锶盐溶液：称取0.1mol(15g)SrCO3于烧杯中并加入120mL去离子水，搅拌至完全溶解得到无色透明溶液，另称0.1 mol(21g)C6H8O7加入其中，搅拌均匀得到白色浊液并有大量气泡产生，即为锶盐溶液；
步骤2，配制钛盐溶液：量取0.1mol(35mL)C16H36O4Ti于烧杯中并加入50mL无水乙醇，充分混合得到钛盐溶液；
步骤3，配制碱性溶液：称取1mol(42g)NaOH粉末，将称取的 NaOH粉末分8次逐次溶于120mL去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；
步骤4，配制SrTiO3前躯体溶液：将步骤1得到的锶盐溶液与步骤2得到的钛盐溶液混合，搅拌均匀后加入步骤3得到的NaOH溶液，继续搅拌至上层澄清、下层为白色浊液，即为SrTiO3前躯体溶液；
步骤5，旋转蒸发制备SrTiO3前驱体粉末：将步骤4得到的SrTiO3前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142Mbar、55℃下旋蒸80min，再在72Mbar、60℃下旋蒸120min，发生旋转蒸发反应；然后离心洗涤，先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥36h，得到SrTiO3前驱体粉末；
步骤6，高温烧结制备SrTiO3纳米材料：将步骤5得到的SrTiO3前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到SrTiO3纳米材料；其中高温煅烧的温度为800℃，高温煅烧的时间为120 min。
实施例3：
步骤1，配制锶盐溶液：称取0.1mol(15g)SrCO3于烧杯中并加入150mL去离子水，搅拌至完全溶解得到无色透明溶液，另称0.1 mol(21g)C6H8O7加入其中，搅拌均匀得到白色浊液并有大量气泡产生，即为锶盐溶液；
步骤2，配制钛盐溶液：量取0.1mol(35mL)C16H36O4Ti于烧杯中并加入70mL无水乙醇，充分混合得到钛盐溶液；
步骤3，配制碱性溶液：称取1mol(42g)NaOH粉末，将称取的 NaOH粉末分10次逐次溶于150mL去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；
步骤4，配制SrTiO3前躯体溶液：将步骤1得到的锶盐溶液与步骤2得到的钛盐溶液混合，搅拌均匀后加入步骤3得到的NaOH溶液，继续搅拌至上层澄清、下层为白色浊液，即为SrTiO3前躯体溶液；
步骤5，旋转蒸发制备SrTiO3前驱体粉末：将步骤4得到的SrTiO3前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142Mbar、55℃下旋蒸100min，再在72Mbar、60℃下旋蒸150min，发生旋转蒸发反应；然后离心洗涤，先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥48h，得到SrTiO3前驱体粉末；
步骤6，高温烧结制备SrTiO3纳米材料：将步骤5得到的SrTiO3前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到SrTiO3纳米材料；其中高温煅烧的温度为650℃，高温煅烧的时间为120 min。
实施例4：
步骤1，配制锶盐溶液：称取0.1mol(15g)SrCO3于烧杯中并加入100mL去离子水，搅拌至完全溶解得到无色透明溶液，另称0.1 mol(21g)C6H8O7加入其中，搅拌均匀得到白色浊液并有大量气泡产生，即为锶盐溶液；
步骤2，配制钛盐溶液：量取0.1mol(35mL)C16H36O4Ti于烧杯中并加入90mL无水乙醇，充分混合得到钛盐溶液；
步骤3，配制碱性溶液：称取1mol(42g)NaOH粉末，将称取的 NaOH粉末分10次逐次溶于200mL去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；
步骤4，配制SrTiO3前躯体溶液：将步骤1得到的锶盐溶液与步骤2得到的钛盐溶液混合，搅拌均匀后加入步骤3得到的NaOH溶液，继续搅拌至上层澄清、下层为白色浊液，即为SrTiO3前躯体溶液；
步骤5，旋转蒸发制备SrTiO3前驱体粉末：将步骤4得到的SrTiO3前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142Mbar、55℃下旋蒸100min，再在72Mbar、60℃下旋蒸150min，发生旋转蒸发反应；然后离心洗涤，先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥24h，得到SrTiO3前驱体粉末；
步骤6，高温烧结制备SrTiO3纳米材料：将步骤5得到的SrTiO3前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到SrTiO3纳米材料；其中高温煅烧的温度为800℃，高温煅烧的时间为120 min。
实施例5：
步骤1，配制锶盐溶液：称取0.1mol(15g)SrCO3于烧杯中并加入150mL去离子水，搅拌至完全溶解得到无色透明溶液，另称0.1 mol(21g)C6H8O7加入其中，搅拌均匀得到白色浊液并有大量气泡产生，即为锶盐溶液；
步骤2，配制钛盐溶液：量取0.1mol(35mL)C16H36O4Ti于烧杯中并加入35mL无水乙醇，充分混合得到钛盐溶液；
步骤3，配制碱性溶液：称取1mol(42g)NaOH粉末，将称取的 NaOH粉末分5次逐次溶于170mL去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；
步骤4，配制SrTiO3前躯体溶液：将步骤1得到的锶盐溶液与步骤2得到的钛盐溶液混合，搅拌均匀后加入步骤3得到的NaOH溶液，继续搅拌至上层澄清、下层为白色浊液，即为SrTiO3前躯体溶液；
步骤5，旋转蒸发制备SrTiO3前驱体粉末：将步骤4得到的SrTiO3前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142Mbar、55℃下旋蒸60min，再在72Mbar、60℃下旋蒸150min，发生旋转蒸发反应；然后离心洗涤，先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥36h，得到SrTiO3前驱体粉末；
步骤6，高温烧结制备SrTiO3纳米材料：将步骤5得到的SrTiO3前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到SrTiO3纳米材料；其中高温煅烧的温度为650℃，高温煅烧的时间为120 min。
实施例6：
步骤1，配制锶盐溶液：称取0.1mol(15g)SrCO3于烧杯中并加入120mL去离子水，搅拌至完全溶解得到无色透明溶液，另称0.1 mol(21g)C6H8O7加入其中，搅拌均匀得到白色浊液并有大量气泡产生，即为锶盐溶液；
步骤2，配制钛盐溶液：量取0.1mol(35mL)C16H36O4Ti于烧杯中并加入80mL无水乙醇，充分混合得到钛盐溶液；
步骤3，配制碱性溶液：称取1mol(42g)NaOH粉末，将称取的NaOH粉末分8次逐次溶于140mL去离子水中，搅拌均匀得到碱性溶液；
步骤4，配制SrTiO3前躯体溶液：将步骤1得到的锶盐溶液与步骤2得到的钛盐溶液混合，搅拌均匀后加入步骤3得到的NaOH溶液，继续搅拌至上层澄清、下层为白色浊液，即为SrTiO3前躯体溶液；
步骤5，旋转蒸发制备SrTiO3前驱体粉末：将步骤4得到的SrTiO3前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142Mbar、55℃下旋蒸90min，再在72Mbar、60℃下旋蒸140min，发生旋转蒸发反应；然后离心洗涤，先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；最后置于60℃烘箱干燥24h，得到SrTiO3前驱体粉末；
步骤6，高温烧结制备SrTiO3纳米材料：将步骤5得到的SrTiO3前驱体粉末置于马弗炉中，在空气下进行高温煅烧，即可得到SrTiO3纳米材料；其中高温煅烧的温度为800℃，高温煅烧的时间为120 min。
对本发明实施例6所制备的SrTiO3纳米材料进行X射线衍射分析(XRD)(如图2所示)，从图中可以看出纳米材料的衍射峰与 SrTiO3的标准卡对应，证明成功制备了SrTiO3材料，其并且制备的纳米材料结晶度较好，基本无杂质相，因此可得出通过本发明旋转蒸发的方法可以成功制备SrTiO3纳米材料的结论。
利用扫描电镜(SEM)对本发明实施例1-6所制备的SrTiO3纳米材料的形貌进行分析(如图3所示)，可以看出纳米材料表面形貌均呈花状并且粒径分布均匀；如图3(a)、(c)、(e)所示，650℃煅烧后得到的样品颗粒粒径较小，约100-200nm，800℃煅烧后得到的样品颗粒粒径随热处理温度的升高有所增加，约300-400nm(如图3(b)、(d)、(f))，但随着热处理温度的升高样品仍保持花状形貌，证明通过本发明的方法可以成功制备高纯超细、组分均匀可控的花状 SrTiO3纳米材料的结论。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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