一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法及其应用
阅读说明：本技术 一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法及其应用 (Method for ultraviolet-synergetic synthesis of nano barium titanate powder and application thereof ) 是由 李秋 丁明 李宗群 韩晖 吴江 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法及其应用,包括以下步骤：S1：将分散剂溶于正丁醇中,再加入Ba(OH)-(2)·8H-(2)O,超声辅助溶解后,继续加入钛酸四丁酯,在功率为120-130W、波长为365nm的紫外光辐射条件下,磁力搅拌0.5-1h,以抑制钛酸四丁酯水解缩聚,得到钛钡前驱体溶液；S2：将钛钡前驱体溶液置于40-60℃水浴环境中,在功率为3-5W、波长为410nm的紫外光辐射条件下,水浴搅拌反应2-3h,离心分离出固体产物,再用水和无水乙醇交替洗涤5次,70℃真空干燥后,即得。本发明首次利用紫外辐射辅助合成钙钛矿型纳米钛酸钡粉体,在紫外线辐射作用下,原位生成羟基自由基,抑制钛的水解速度,紫外线活化钛源、钡源,因而,实现在40-60℃常压环境中快速合成纳米晶钛酸钡。(The invention discloses a method for synthesizing nano barium titanate powder by ultraviolet synergy and application thereof, comprising the following steps: s1: dissolving dispersant in n-butanol, adding Ba (OH) 2 ·8H 2 O, after ultrasonic-assisted dissolution, continuously adding tetrabutyl titanate, and magnetically stirring for 0.5-1h under the ultraviolet radiation conditions of power of 120-; s2: placing the barium titanate precursor solution in a water bath environment at 40-60 deg.C, stirring in water bath under the conditions of 3-5W power and 410nm wavelength ultraviolet radiation for 2-3h, centrifuging to separate solid product, washing with water and anhydrous ethanol for 5 times alternately at 70 deg.CVacuum drying to obtain the final product. The invention firstly utilizes the ultraviolet radiation to assist in synthesizing the perovskite type nano barium titanate powder, generates hydroxyl free radicals in situ under the action of the ultraviolet radiation, inhibits the hydrolysis speed of titanium, and activates a titanium source and a barium source by the ultraviolet radiation, thereby realizing the rapid synthesis of the nano-crystalline barium titanate in the normal pressure environment of 40-60 ℃.)
技术领域
本发明属于无机粉体材料合成领域，具体涉及一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法及其应用。
背景技术
近年来，随科技的进步和发展，对介电材料的要求越来越高，钙钛矿型化合物作为介电材料的主要原料，应达到超细的晶粒尺寸和较高介电常数要求。钙钛矿型粉体的合成方法比较多，但在实际生产过程中，现有成熟的合成方法仅能满足低质量要求的介电器件的生产和制造。因此，探索稳定可控、成本低、质量高、安全的生产超细高纯钙钛矿型粉体的方法是当今科研领域研究的热点，也是国内亟待突破的核心技术。
钛酸钡是典型的钙钛矿材料，具有高介电常数和低介电损耗，是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一。钛酸钡粉体的合成方法包括固相合成法、化学沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法、气相反应法、微乳液法、机械活化法、溶剂热法等；其中，固相合成法在钛酸钡所有的合成方法中，迄今仍居支配地位，但生产成本高，粉体粒度多为微米级，达不到现今电子设备对功能材料向纳米级发展的要求；相对于固相法，化学沉淀法工艺简单，生产成本更低，但仍需煅烧等高能耗过程提高纯度，微粒易团聚，难以获制高纯纳米晶钛酸钡，使该方法的推广受到限制；水热合成法制出的钛酸钡粒度分布均匀，颗粒粒度可控，可以在一定温度条件下得到纳米级钛酸钡晶体，但水热法反应发生在高压力封闭容器中，对实际生产的设备要求较高，并增加了危险性，且水热法的反应温度一般在160-250℃，且水热反应时间一般在12-24h，反应温度和反应时间较长，对反应条件要求较高。因此，如何在低温常压环境中快速制备出高纯度纳米晶钛酸钡对于钛酸钡材料合成领域乃至无机纳米领域具有突破性意义。
发明内容
针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法及其应用。
本发明的技术方案概述如下：
一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法，包括以下步骤：
S1：紫外辐射解聚钛源：将分散剂溶于正丁醇中，再加入Ba(OH)2·8H2O，超声辅助溶解后，继续加入钛酸四丁酯，在功率为120-130W、波长为365nm的紫外光辐射条件下，磁力搅拌0.5-1h，以抑制钛酸四丁酯水解缩聚，得到钛钡前驱体溶液；
S2：紫外协同合成钛酸钡粉体：将钛钡前驱体溶液置于40-60℃水浴环境中，在功率为3-5W、波长为410nm的紫外光辐射条件下，水浴搅拌反应2-3h，离心分离出固体产物，再用水和无水乙醇交替洗涤5次，70℃真空干燥后，即得所述纳米钛酸钡粉体。
优选的是，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。
优选的是，所述分散剂、正丁醇、Ba(OH)2·8H2O、钛酸四丁酯的用量比为(0.3-0.4)g：20mL：(0.25-0.35)mol：(0.25-0.35)mol。
优选的是，所述Ba(OH)2·8H2O、钛酸四丁酯的摩尔比为1：1。
优选的是，所述的方法制备出的纳米钛酸钡粉体的平均粒径为8.8-9.6nm；且在测试频率为1KHz、温度为25℃的条件下，所述纳米钛酸钡粉体的介电常数为92-101，介电损耗为0.63-0.85。
所述的方法制备出的纳米钛酸钡粉体在介电材料中的应用。
所述的方法制备出的纳米钛酸钡粉体在光催化材料中的应用。
本发明的有益效果：
1、本发明首次利用紫外辐射辅助合成钙钛矿型纳米钛酸钡粉体，由于紫外光具有激发电子作用，使钛电子处于高能状态，原位生成羟基自由基，因而，与Ba2+结合，实现在40-60℃常压环境中合成纳米钛酸钡粉体。相比于现有钛酸钡粉体合成方法，本发明方法无需在高温高压条件下，即可发生，操作简单，无需复杂设备和装置，反应时间短，仅需2.5-4h即可完成全部反应过程，且钛酸钡产物纯度高，粒度可控，达到纳米晶级别，平均粒径为8.8-9.6nm，无论从反应温度、压力、反应时间等条件因素，还是产物纯度、尺寸等角度，本发明紫外协同合成法对于钛酸钡的制备均具有突破性意义和巨大革新。
2、本发明利用紫外线辐射原位生成的羟基自由基，还实现钛低聚物的逆向解聚，抑制了钛酸四丁酯水解缩聚，避免非骨架钛的生成。
附图说明
图1为本发明紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法流程图；
图2为实施例1合成的纳米钛酸钡的TEM图；
图3为实施例1合成的纳米钛酸钡的X射线衍射图谱；
图4为实施例3合成的纳米钛酸钡的红外光谱图；
图5为实施例3合成的纳米钛酸钡的热重分析图谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本案提供一实施例的一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法，包括以下步骤：
S1：紫外辐射解聚钛源：将分散剂溶于正丁醇中，再加入Ba(OH)2·8H2O，超声辅助溶解后，继续加入钛酸四丁酯，在功率为120-130W、波长为365nm的紫外光辐射条件下，磁力搅拌0.5-1h，以抑制钛酸四丁酯水解缩聚，得到钛钡前驱体溶液；所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种；所述分散剂、正丁醇、Ba(OH)2·8H2O、钛酸四丁酯的用量比为(0.3-0.4)g：20mL：(0.25-0.35)mol：(0.25-0.35)mol；所述Ba(OH)2·8H2O、钛酸四丁酯的摩尔比为1：1；
S2：紫外协同合成钛酸钡粉体：将钛钡前驱体溶液置于40-60℃水浴环境中，在功率为3-5W、波长为410nm的紫外光辐射条件下，水浴搅拌反应2-3h，离心分离出固体产物，再用水和无水乙醇交替洗涤5次，70℃真空干燥后，即得所述纳米钛酸钡粉体。
该实施例制备出的纳米钛酸钡粉体的平均粒径为8.8-9.6nm；且在测试频率为1KHz、温度为25℃的条件下，所述纳米钛酸钡粉体的介电常数为92-101，介电损耗为0.63-0.85。
该实施例制备出的纳米钛酸钡粉体在介电材料中的应用。
该实施例制备出的纳米钛酸钡粉体在光催化材料中的应用。
实施例1
一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法，包括以下步骤：
S1：紫外辐射解聚钛源：将0.3495g聚乙烯吡咯烷酮溶于20mL正丁醇中，再加入9.4638g(0.03mol)Ba(OH)2·8H2O，超声辅助溶解后，继续加入10.2096g(0.03mol)钛酸四丁酯，在功率为120W、波长为365nm的紫外光辐射条件下，磁力搅拌1h，实现钛低聚物的逆向解聚，抑制钛酸四丁酯水解缩聚，得到钛钡前驱体溶液；
S2：紫外协同合成钛酸钡粉体：将钛钡前驱体溶液置于40℃水浴环境中，在功率为3W、波长为410nm的紫外光辐射条件下，水浴搅拌反应3h，离心分离出固体产物，再用水和无水乙醇交替洗涤5次，70℃真空干燥后，即得所述纳米钛酸钡粉体。
实施例2
一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法，包括以下步骤：
S1：紫外辐射解聚钛源：将0.3495g十六烷基三甲基溴化铵溶于20mL正丁醇中，再加入9.4638g(0.03mol)Ba(OH)2·8H2O，超声辅助溶解后，继续加入10.2096g(0.03mol)钛酸四丁酯，在功率为130W、波长为365nm的紫外光辐射条件下，磁力搅拌0.5h，实现钛低聚物的逆向解聚，抑制钛酸四丁酯水解缩聚，得到钛钡前驱体溶液；
S2：紫外协同合成钛酸钡粉体：将钛钡前驱体溶液置于50℃水浴环境中，在功率为5W、波长为410nm的紫外光辐射条件下，水浴搅拌反应2h，离心分离出固体产物，再用水和无水乙醇交替洗涤5次，70℃真空干燥后，即得所述纳米钛酸钡粉体。
实施例3
一种紫外协同合成纳米钛酸钡粉体的方法，包括以下步骤：
S1：紫外辐射解聚钛源：将0.3495g聚乙烯吡咯烷酮溶于20mL正丁醇中，再加入9.4638g(0.03mol)Ba(OH)2·8H2O，超声辅助溶解后，继续加入10.2096g(0.03mol)钛酸四丁酯，在功率为125W、波长为365nm的紫外光辐射条件下，磁力搅拌1h，实现钛低聚物的逆向解聚，抑制钛酸四丁酯水解缩聚，得到钛钡前驱体溶液；
S2：紫外协同合成钛酸钡粉体：将钛钡前驱体溶液置于60℃水浴环境中，在功率为3W、波长为410nm的紫外光辐射条件下，水浴搅拌反应3h，离心分离出固体产物，再用水和无水乙醇交替洗涤5次，70℃真空干燥后，即得所述纳米钛酸钡粉体。
在25℃室温、频率为1kHz条件下，对实施例1-3合成的钛酸钡粉体介电性能进行测试，试验结果如下表所示：
介电常数(1kHz,25℃)
介电损耗(1kHz,25℃)
平均粒径/nm
实施例1
95
0.81
9.3
实施例2
101
0.63
8.8
实施例3
92
0.85
9.6
图2为实施例1合成的纳米钛酸钡的TEM图：由图2可知，合成的钛酸钡颗粒的尺寸达到纳米晶级别，粒径在9-10nm。
图3为实施例1合成的纳米钛酸钡的X射线衍射图谱：由图3可知，2.1°(100)、31.4°(110)、38.7°(111)、45.1°(200)、50.6°(210)、55.9°(211)、65.4°(220)、70.2°(202)、74.5°(310)分别与BaTiO3四方结构标准卡片(PDF:74-2491)谱图和衍射数据完全符合，且图谱中没有观察到其它杂质峰，说明通过本方法合成的钛酸钡样品是纯相。
图4为实施例3合成的纳米钛酸钡的红外光谱图：从图4中可以看出，560cm-1的宽峰为Ti-O伸缩振动引起。1629cm-1处的C＝O吸收峰和1357cm-1处的C-N峰，可能是钛酸钡表面连接的PVP分子。
图5为实施例3合成的纳米钛酸钡的热重分析图谱：热失重曲线表示物质的质量分数与温度变化之间的关系。由图5可知，第一阶段在200℃以下，是由物理吸附的水和溶剂分子的去吸附造成的，失重量约为15％。第二阶段的失重发生在200-900℃，主要是由颗粒表面的有机层PVP分子的热解造成的，失重量约为5％。
实施例1-3制备出的纳米钛酸钡粉体在介电材料中的应用。
实施例1-3制备出的纳米钛酸钡粉体在光催化材料中的应用。
实施例1-3首次利用紫外辐射辅助合成钙钛矿型纳米钛酸钡粉体，由于紫外光具有激发电子作用，使钛电子处于高能状态，原位生成羟基自由基，因而，与Ba2+结合，实现在40-60℃常压环境中合成纳米钛酸钡粉体。相比于现有钛酸钡粉体合成方法，本发明方法无需在高温高压条件下，即可发生，操作简单，无需复杂设备和装置，反应时间短，仅需2.5-4h即可完成全部反应过程，且钛酸钡产物纯度高，粒度可控，达到纳米晶级别，平均粒径为8.8-9.6nm，无论从反应温度、压力、反应时间等条件因素，还是产物纯度、尺寸等角度，本发明紫外协同合成法对于钛酸钡的制备均具有突破性意义和巨大革新。
实施例1-3利用紫外线辐射原位生成的羟基自由基，还实现钛低聚物的逆向解聚，抑制了钛酸四丁酯水解缩聚，避免非骨架钛的生成。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种超细钛酸钡粉体及其制备方法