实验三十三 BaTiO3纳米粉的溶胶-凝胶法制备及其表征

1、实验三十三 BaTiO3纳米粉的溶胶-凝胶法制备及其表征一、实验目的1了解纳米粉材料的应用和纳米技术的发展。2学习和掌握溶胶-凝胶法制备纳米粉的技术。二、实验原理纳米科学技术自诞生以来所取得的成就以及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入20 世纪90 年代,世界各国对纳米科学技术的研究都投入了巨大的财力和人力,作为纳米科学技术重要组成部分的纳米材料获得了巨大的发展,纳米材料广泛应用于陶瓷、生物、医学、化工、电子学和光电等领域。由于有机纳米材料具有独特的表面效应,量子效应及局域场效应等大结构特性,表现出一系列与普通多晶体和非晶体物质不同的光、电、力、磁等性能,因此有机纳米材料的制备、结构以及

2、应用前景的开发,将成为21 世纪材料科学研究的新热点,然而纳米材料的制备方法与手段直接影响纳米材料的结构,性能及应用,所以发展高效纳米材料制备技术十分重要。溶胶-凝胶(sol-gel) 法是制备纳米粉的有效方法之一。该方法的简单原理是:钛酸四丁酯吸收空气或体系中的水分而逐渐水解,水解产物发生失水缩聚形成三维网络状凝胶,而Ba2 + 或Ba (Ac) 2 的多聚体均匀分布于网络中1。高温热处理时,溶剂挥发或灼烧Ti O Ti 多聚体与Ba (Ac)2 分解产生的BaCO3 ( X 射线衍射分析表明,在形成BaTiO3 前有BaCO3 生成),生成BaTiO323 。纳米粉的表征方法可以用X 射线

3、衍射(X-ray diffaction ,XRD) 、透射电子显微镜(trans- mission electron microscopy ,TEM) 和比表面积测定、红外透射光谱等方法,本实验仅采用了XRD 技术。三、主要仪器与药品 钛酸四丁酯，正丁醇，冰醋酸，醋酸钡，Al2O3 坩埚，马佛炉，X 射线衍射仪四、实验步骤 1溶胶及凝胶的制备准确称取钛酸四丁酯10.2108g (0.03mol) 置于小烧杯中,倒入30mL 正丁醇使其溶解,搅拌下加入10mL 冰醋酸,混合均匀。另准确称取等物质的量的已干燥过的无水醋酸钡(0.03 mol ,7.6635g) ,溶于15mL 蒸馏水中,形成Ba(

4、Ac)2水溶液。将其加入到钛酸四丁酯的正丁醇溶液中,边滴加边搅拌,混合均匀后用冰醋酸调pH 为3.5 , 即得到淡黄色澄清透明的溶胶。用普通分析滤纸将烧杯口盖上、扎紧, 在室温下静置24h , 即可得到近乎透明的凝胶。2干凝胶的制备将凝胶捣碎,置于烘箱中,在100 温度下充分干燥(24h 以上),去除溶剂和水分,即得干凝胶。研细备用。3高温灼烧处理将研细的干凝胶置于Al2O3 坩埚中进行热处理。先以4 / min 的速度升温至250 ,保温1h , 以彻底除去粉料中的有机溶剂。然后以8 / min 的速度升温至1000 ,高温灼烧保温2h , 然后自然降至室温,即得到白色或淡黄色固体,研细即可

5、得到结晶态BaTiO3 纳米粉。BaTiO3 纳米粉的制备流程如图36.1 所示。图36.1 溶胶-凝胶( sol-gel) 法制备BaTiO3 纳米粉的工艺过程 4纳米粉的表征将BaTiO3 粉涂于专用样品板上,于X 射线衍射仪上测定衍射图。 五、结果与讨论对得到衍射图的数据进行计算机检索或与标准图谱对照,可以证实所得BaTiO3 是否为结晶态,同时还可以根据给出的公式计算,所得BaTiO3 是否为纳米粒子。BaTiO3 纳米粉XRD 标准谱图见图36.2 。图36.2 BaTiO3 纳米粉XRD 标准谱图BaTiO3 纳米粉的平均晶粒尺寸可以由下式计算: D= 0.9 / ( cos )式中: D 为晶粒尺寸,纳米微粒一般在1100nm 之间;为入射X 射线波长,对Cu 靶,= 0.1542nm ;为X 射线衍射的布拉格角( 以度计);为处衍射峰的半高宽(以弧度计);其中 和可由X 射线衍射数据直接给出。六、注意事项1本实验所用溶胶-凝胶法为广义的溶胶-凝胶法水解得到的干凝胶并非无定形的BaTiO3 ,而是一种混合物,只有经过适当的热处理才成为纯相的BaTiO3纳米粉。2确定热处理温度要通过DTA 曲线。教师在实验课上应对DTA 曲线及其意义进行分析