一种掺钐的铋铁氧体纳米材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种掺钐的铋铁氧体纳米材料及其制备方法 (Samarium-doped bismuth ferrite nano material and preparation method thereof ) 是由 张乐 甄方正 邵岑 邱凡 徐嘉厚 陈浩 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种掺钐的铋铁氧体纳米材料及其制备方法,制备方法包括,按照预定的化学计量比将铋源、铁源和钐源溶解在去离子水中,得到混合溶液A；将稀硝酸加入所述混合溶液A中,搅拌,得到混合溶液B；将酒石酸溶解在去离子水中,并添加到混合溶液B中,得到混合溶液C；将混合溶液C加热,得到干燥的凝胶；将凝胶研磨成粉末并煅烧,得到纳米材料。本发明制得的钐掺杂的铋铁氧体纳米材料,平均粒径小,增加了纳米颗粒表面存在的未补偿自旋的密度,从而相比未掺杂的增强了磁化强度,降低了矫顽力,非常适合用于无线充电设备材料。(The invention discloses a samarium-doped bismuth ferrite nano material and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the steps of dissolving a bismuth source, an iron source and a samarium source in deionized water according to a predetermined stoichiometric ratio to obtain a mixed solution A; adding dilute nitric acid into the mixed solution A, and stirring to obtain a mixed solution B; dissolving tartaric acid in deionized water, and adding the tartaric acid into the mixed solution B to obtain a mixed solution C; heating the mixed solution C to obtain dry gel; the gel is ground into powder and calcined to obtain the nano material. The samarium-doped bismuth ferrite nano material prepared by the invention has small average particle size, increases the density of uncompensated spin on the surface of the nano particle, thereby enhancing the magnetization intensity and reducing the coercive force compared with the undoped bismuth ferrite nano material, and is very suitable for being used as a material of wireless charging equipment.)
技术领域
本发明属于磁化纳米材料技术领域，具体涉及到一种掺钐的铋铁氧体纳米材料及其制备方法。
背景技术
铋铁氧体是最有前途的多铁性材料之一，因为它具有广泛的潜在应用，包括微波系统、卫星通信、存储设备、交互式记录、传感器、自旋电子设备、光伏太阳能电池等。BiFeO3(BFO)是一种有趣的多铁性材料，因为它在室温(居里温度TC＝1103K和尼尔温度TN＝643K)下同时共存，同时具有铁电和反铁磁顺序。BFO是一种菱形扭曲钙钛矿结构(R3c空间群)，具有G型反铁磁性。然而，合成单相铁氧体铋并不简单，因为它在较窄的温度范围内是稳定的。由于一些弱点，例如高电导率、二次相形成、弱铁磁性、磁电耦合差和氧空位的出现，大量的BiFeO3可能不适合器件应用。铋铁氧体是菱形钙钛矿结构(R3c 空间群)，R3c对称性导致铁磁性能差。此外，由于其不公度的螺旋调制自旋结构(周期为62nm)，无法观察到BFO宏观磁性。因此，应该做出重大努力来改善铁磁特性，以消除螺旋自旋结构或提高反平行自旋倾斜水平。直到今天，寻找最小化电流泄漏密度的方法仍然至关重要。
化学价变化Fe离子(Fe3+/Fe2+)、氧空位和铋损失导致BFO中的电流密度降低。其本征极化和磁化与A位上的单个Bi3+离子孤对6s2和B位上Fe3+离子的部分填充3d轨道有关。用部分稀土离子(如Gd3+、La3+、Dy3+、Nd3+、Eu3+和Ho3+)掺杂BFO已被证明是一种成功的改善BFO形态和磁性能的方法。掺杂可用于通过引起晶格畸变、控制Bi离子蒸发和做出非中心对称贡献来控制 BFO的物理性质。此外，用不同的离子半径掺杂A位可以通过抑制G型反铁磁螺旋调制来释放俘获的磁化强度。
因此，掺杂合适的稀土金属离子，减小Fe-O-Fe角，增加两种Fe离子之间的超交换相互作用，是改善磁性能的有效手段。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的不足，提出了本发明一种掺钐的铋铁氧体纳米材料及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法，包括，
按照预定的化学计量比将铋源、铁源和钐源溶解在去离子水中，得到混合溶液A；
将稀硝酸加入所述混合溶液A中，搅拌，得到混合溶液B；
将酒石酸溶解在去离子水中，并添加到混合溶液B中，得到混合溶液C；
将混合溶液C加热，得到干燥的凝胶；
将凝胶研磨成粉末并煅烧，得到纳米材料。
作为本发明掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述铋源为Bi(NO3)3·5H2O，所述铁源为Fe(NO3)3·9H2O，所述钐源为 Sm(NO3)3.6H2O；
所述铋源、钐源和铁源的摩尔比为(1-x)：x：1；其中，0.1≤x≤0.2。
作为本发明掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述稀硝酸，浓度为20～30％。
作为本发明掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述将稀硝酸加入所述混合溶液A中，稀硝酸与混合溶液A的体积比为0.5～ 2：1。
作为本发明掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述将酒石酸溶解在去离子水中，制备成体积分数为10～20％的溶液。
作为本发明掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述添加到混合溶液B中，酒石酸溶液与混合溶液B的体积比为0.5～2：1。
作为本发明掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述得到混合溶液C，将混合溶液C在65～90℃下以300～500rpm搅拌1～3h。
作为本发明掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述将混合溶液C加热，将混合溶液C升温至120～130℃，加热2～4h。
作为本发明掺钐的铋铁氧体纳米材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述煅烧，煅烧温度550～650℃，时间2～4h。
本发明的另一目的是提供如上述所述的制备方法得到的掺钐的铋铁氧体纳米材料，所述纳米材料的化学式为Bi1-xSmxFeO3，其中0.1≤x≤0.2。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明制得的Sm3+掺杂的铋铁氧体纳米材料，平均粒径小，为28～38nm；由于平均粒径的减小，增加了纳米颗粒表面存在的未补偿自旋的密度，从而相比未掺杂的增强了磁化强度，降低了矫顽力，非常适合用于无线充电设备材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1～5所制备的纳米粉体的XRD图谱。
图2为本发明实施例1、3、4、5制备的纳米粉体的粒径分布与SEM图像。
图3为本发明实施例1～5制备的纳米粉体的M-H磁滞回线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
以下实施例均以市售纯度大于99.9％的聚乙烯醇(C2H4O)、硝酸(HNO3)、 Bi(NO3)3·5H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Sm(NO3)3·6H2O和C6H6O7作为原料。
实施例1
(1)按照化学式BiFeO3的化学计量比称量Bi(NO3)3·5H2O和 Fe(NO3)3·9H2O，溶解在去离子水中，在室温下使用磁力搅拌55min，得到混合溶液A；
(2)将浓度为27％的稀硝酸加入上述混合溶液A中，稀硝酸与混合溶液 A的体积比为1:1，在室温下搅拌30～60min，得到混合溶液B；
(3)将酒石酸(C6H6O7)溶解在去离子水中，制备成体积分数为15％的溶液，并添加到混合溶液B中，酒石酸溶液与混合溶液B的体积比为1.5：1，得到混合溶液C。
(4)将混合溶液C在80℃下以300～500rpm搅拌2h，后升温至125℃，加热2.5h，得到干燥的凝胶；
(5)将凝胶研磨成粉末并在600℃下加热3.5h，得到纳米材料。
实施例2
(1)按照化学式Bi0.95Sm0.05FeO3的化学计量比称量Bi(NO3)3·5H2O、 Fe(NO3)3·9H2O和Sm(NO3)3.6H2O，溶解在去离子水中，在室温下使用磁力搅拌55min，得到混合溶液A；
(2)将浓度为27％的稀硝酸加入上述混合溶液A中，稀硝酸与混合溶液 A的体积比为1:1，在室温下搅拌30～60min，得到混合溶液B；
(3)将酒石酸(C6H6O7)溶解在去离子水中，制备成体积分数为15％的溶液，并添加到混合溶液B中，酒石酸溶液与混合溶液B的体积比为1.5：1，得到混合溶液C；
(4)将混合溶液C在80℃下以300～500rpm搅拌2h，后升温至125℃，加热2.5h，得到干燥的凝胶；
(5)将凝胶研磨成粉末并在600℃下加热3.5h，得到纳米材料。
实施例3
(1)按照化学式Bi0.90Sm0.10FeO3的化学计量比称量Bi(NO3)3·5H2O、 Fe(NO3)3·9H2O和Sm(NO3)3.6H2O，溶解在去离子水中，在室温下使用磁力搅拌60min，得到混合溶液A；
(2)将浓度为20％的稀硝酸加入上述混合溶液A中，稀硝酸与混合溶液A的体积比为2:1，在室温下搅拌30min，得到混合溶液B；
(3)将酒石酸(C6H6O7)溶解在去离子水中，制备成体积分数为20％的溶液，并添加到混合溶液B中，酒石酸溶液与混合溶液B的体积比为0.5：1，得到混合溶液C；
(4)将混合溶液C在90℃下以300rpm搅拌3h，后升温至120℃，加热 4h，得到干燥的凝胶；
(5)将凝胶研磨成粉末并在550℃下加热4h，得到纳米材料。
实施例4
(1)按照化学式Bi0.85Sm0.15FeO3的化学计量比称量Bi(NO3)3·5H2O、 Fe(NO3)3·9H2O和Sm(NO3)3.6H2O，溶解在去离子水中，在室温下使用磁力搅拌30min，得到混合溶液A；
(2)将浓度为30％的稀硝酸加入上述混合溶液A中，稀硝酸与混合溶液 A的体积比为0.5:1，在室温下搅拌60min，得到混合溶液B；
(3)将酒石酸(C6H6O7)溶解在去离子水中，制备成体积分数为10％的溶液，并添加到混合溶液B中，酒石酸溶液与混合溶液B的体积比为2：1，得到混合溶液C；
(4)将混合溶液C在65℃下以500rpm搅拌1h，后升温至130℃，加热 2h，得到干燥的凝胶；
(5)将凝胶研磨成粉末并在650℃下加热2h，得到纳米材料。
实施例5
(1)按照化学式Bi0.80Sm0.20FeO3的化学计量比称量Bi(NO3)3·5H2O、 Fe(NO3)3·9H2O和Sm(NO3)3.6H2O，溶解在去离子水中，在室温下使用磁力搅拌55min，得到混合溶液A；
(2)将浓度为27％的稀硝酸加入上述混合溶液A中，稀硝酸与混合溶液 A的体积比为1:1，在室温下搅拌30～60min，得到混合溶液B；
(3)将酒石酸(C6H6O7)溶解在去离子水中，制备成体积分数为15％的溶液，并添加到混合溶液B中，酒石酸溶液与混合溶液B的体积比为1.5：1，得到混合溶液C；
(4)将混合溶液C在80℃下以300～500rpm搅拌2h，后升温至125℃，加热2.5h，得到干燥的凝胶；
(5)将凝胶研磨成粉末并在600℃下加热3.5h，得到纳米材料。
实施例1～5所制备的纳米粉体的XRD图谱如图1所示。由图1可以看出，成功制备了纯的BiFeO3:Sm3+纳米粉体，由XRD图谱可以看出，Sm成功进入至BiFeO3的晶格中。
实施例1、3、4、5制备的纳米粉体的粒径分布与SEM图像如图2所示。由图2的粒径分布图和SEM图像可以看出，随着Sm掺杂量的提高，其平均粒径不断减小。
对实施例1～5所制备的纳米粉体的磁性能进行测试，测试方法是采用振动样品磁强计和电子顺磁共振波谱仪进行测试。结果如表1所示。
表1
由表1中的数据可以看出，相比于实施例1、2未掺杂和少量掺杂Sm的 BiFeO3纳米粉体，本发明制备的Sm掺杂量在0.1～0.2之间的纳米材料其磁化强度高，且矫顽力低。
实施例1～5制备的纳米粉体的M-H磁滞回线(测试方法是采用振动样品磁强计和电子顺磁共振波谱仪进行测试)如图3a所示；图3b～f分别为实施例1、2、3、4、5制备的纳米粉体的M-H磁滞回线。由图3可以看出，相比于实施例1、2未掺杂和少量掺杂Sm的BiFeO3纳米粉体，本发明制备的Sm掺杂量在0.1～0.2之间的纳米材料其磁化强度高，且矫顽力低。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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