實(shí)驗(yàn)三十三 BaTiO3納米粉的溶膠-凝膠法制備及其表征

1、實(shí)驗(yàn)三十三 BaTiO3納米粉的溶膠-凝膠法制備及其表征一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解納米粉材料的應(yīng)用和納米技術(shù)的發(fā)展。2學(xué)習(xí)和掌握溶膠-凝膠法制備納米粉的技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)原理納米科學(xué)技術(shù)自誕生以來所取得的成就以及對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的影響和滲透一直引人注目。進(jìn)入20 世紀(jì)90 年代,世界各國對(duì)納米科學(xué)技術(shù)的研究都投入了巨大的財(cái)力和人力,作為納米科學(xué)技術(shù)重要組成部分的納米材料獲得了巨大的發(fā)展,納米材料廣泛應(yīng)用于陶瓷、生物、醫(yī)學(xué)、化工、電子學(xué)和光電等領(lǐng)域。由于有機(jī)納米材料具有獨(dú)特的表面效應(yīng),量子效應(yīng)及局域場(chǎng)效應(yīng)等大結(jié)構(gòu)特性,表現(xiàn)出一系列與普通多晶體和非晶體物質(zhì)不同的光、電、力、磁等性能,因此有機(jī)納米材料的制備、結(jié)構(gòu)以及

2、應(yīng)用前景的開發(fā),將成為21 世紀(jì)材料科學(xué)研究的新熱點(diǎn),然而納米材料的制備方法與手段直接影響納米材料的結(jié)構(gòu),性能及應(yīng)用,所以發(fā)展高效納米材料制備技術(shù)十分重要。溶膠-凝膠(sol-gel) 法是制備納米粉的有效方法之一。該方法的簡(jiǎn)單原理是:鈦酸四丁酯吸收空氣或體系中的水分而逐漸水解,水解產(chǎn)物發(fā)生失水縮聚形成三維網(wǎng)絡(luò)狀凝膠,而Ba2 + 或Ba (Ac) 2 的多聚體均勻分布于網(wǎng)絡(luò)中1。高溫?zé)崽幚頃r(shí),溶劑揮發(fā)或灼燒Ti O Ti 多聚體與Ba (Ac)2 分解產(chǎn)生的BaCO3 ( X 射線衍射分析表明,在形成BaTiO3 前有BaCO3 生成),生成BaTiO323 。納米粉的表征方法可以用X 射線

3、衍射(X-ray diffaction ,XRD) 、透射電子顯微鏡(trans- mission electron microscopy ,TEM) 和比表面積測(cè)定、紅外透射光譜等方法,本實(shí)驗(yàn)僅采用了XRD 技術(shù)。三、主要儀器與藥品 鈦酸四丁酯，正丁醇，冰醋酸，醋酸鋇，Al2O3 坩堝，馬佛爐，X 射線衍射儀四、實(shí)驗(yàn)步驟 1溶膠及凝膠的制備準(zhǔn)確稱取鈦酸四丁酯10.2108g (0.03mol) 置于小燒杯中,倒入30mL 正丁醇使其溶解,攪拌下加入10mL 冰醋酸,混合均勻。另準(zhǔn)確稱取等物質(zhì)的量的已干燥過的無水醋酸鋇(0.03 mol ,7.6635g) ,溶于15mL 蒸餾水中,形成Ba(

4、Ac)2水溶液。將其加入到鈦酸四丁酯的正丁醇溶液中,邊滴加邊攪拌,混合均勻后用冰醋酸調(diào)pH 為3.5 , 即得到淡黃色澄清透明的溶膠。用普通分析濾紙將燒杯口蓋上、扎緊, 在室溫下靜置24h , 即可得到近乎透明的凝膠。2干凝膠的制備將凝膠搗碎,置于烘箱中,在100 溫度下充分干燥(24h 以上),去除溶劑和水分,即得干凝膠。研細(xì)備用。3高溫灼燒處理將研細(xì)的干凝膠置于Al2O3 坩堝中進(jìn)行熱處理。先以4 / min 的速度升溫至250 ,保溫1h , 以徹底除去粉料中的有機(jī)溶劑。然后以8 / min 的速度升溫至1000 ,高溫灼燒保溫2h , 然后自然降至室溫,即得到白色或淡黃色固體,研細(xì)即可

5、得到結(jié)晶態(tài)BaTiO3 納米粉。BaTiO3 納米粉的制備流程如圖36.1 所示。圖36.1 溶膠-凝膠( sol-gel) 法制備BaTiO3 納米粉的工藝過程 4納米粉的表征將BaTiO3 粉涂于專用樣品板上,于X 射線衍射儀上測(cè)定衍射圖。 五、結(jié)果與討論對(duì)得到衍射圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)檢索或與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照,可以證實(shí)所得BaTiO3 是否為結(jié)晶態(tài),同時(shí)還可以根據(jù)給出的公式計(jì)算,所得BaTiO3 是否為納米粒子。BaTiO3 納米粉XRD 標(biāo)準(zhǔn)譜圖見圖36.2 。圖36.2 BaTiO3 納米粉XRD 標(biāo)準(zhǔn)譜圖BaTiO3 納米粉的平均晶粒尺寸可以由下式計(jì)算: D= 0.9 / ( cos )式中: D 為晶粒尺寸,納米微粒一般在1100nm 之間;為入射X 射線波長,對(duì)Cu 靶,= 0.1542nm ;為X 射線衍射的布拉格角( 以度計(jì));為處衍射峰的半高寬(以弧度計(jì));其中 和可由X 射線衍射數(shù)據(jù)直接給出。六、注意事項(xiàng)1本實(shí)驗(yàn)所用溶膠-凝膠法為廣義的溶膠-凝膠法水解得到的干凝膠并非無定形的BaTiO3 ,而是一種混合物,只有經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚聿懦蔀榧兿嗟腂aTiO3納米粉。2確定熱處理溫度要通過DTA 曲線。教師在實(shí)驗(yàn)課上應(yīng)對(duì)DTA 曲線及其意義進(jìn)行分析