[发明专利]低温固相反应制备钛酸锶纳米粉末的方法

说明书

技术领域

本发明属于SrTiO₃纳米陶瓷粉末制备技术领域，具体涉及一种固相反应低温制备钛酸锶(SrTiO₃)纳米陶瓷粉末的方法。

背景技术

ABO₃钙钛矿结构复合氧化物是一类性能优异、应用广泛的新型功能材料，具有稳定的晶体结构、独特的电磁性能以及很好的氧化还原、氢解、异构化、光催化等活性。钛酸锶(SrTiO₃)作为一种典型的钙钛矿型三元氧化物，不仅因为具有介电常数高、介电损耗低、热稳定性好等优点，广泛应用于电子、机械和陶瓷工业，而且还因其禁带宽度为3.2eV，也被作为一种优良的光催化剂，应用于有机污染物的光催化剂降解和水的光催化裂解以制备清洁能源氢。近年来，关于SrTiO₃的制备和性能研究引起了人们的极大兴趣。

制备SrTiO₃纳米粉末的常用方法有固相反应法、溶胶-凝胶法、沉淀法、水热/溶剂热法等。然而，这些方法都存在污染环境、制备成本高和性能差等一些问题。例如，溶胶-凝胶法虽然容易制备颗粒尺寸小且反应温度较低，但是使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害，且整个溶胶-凝胶过程所需要时间较长。共沉淀法的优势在于成本低、工艺简单、可重复性好、制备条件易控、合成周期短等优点，但沉淀物中杂质的含量及配比难以精确控制，且产物的颗粒比较大。在众多的湿化学法中，水热法相比其它方法具有更多的优点，其反应温度低，节约能源，合成的粉末分散性好，但是其合成产物的性能往往不佳。固相反应法因生产量大、工序少和产品性能好，而被广泛研究的固相反应法需要较高的温度，例如，采用固相法合成SrTiO₃粉末的反应温度一般都在950℃以上，这不仅浪费能源且产物容易团聚。

因此，科研工作者努力寻找一种低温固相法合成各种陶瓷粉末材料。例如，BaTiO₃粉末的传统制备方法是在1000℃以上进行固相反应，以BaCO₃和TiO₂为原料。如果将BaCO₃和TiO₂颗粒预先研磨成亚微米颗粒，在900℃固相反应6小时就可以制得BaTiO₃粉末[J.Am.Ceram.S℃.，84(2001)2777-2782.]；如果采用650、140和50纳米的BaCO₃和70纳米TiO₂纳米晶为原料，在800℃固相反应8小时就能制备得到单晶的BaTiO₃纳米粉末[J.Am.Ceram.S℃.，88(2005)2374-2379.]；如果采用15和30纳米的BaCO₃纳米晶为原料，在700℃固相反应2小时就能制备得到单晶的BaTiO₃纳米粉末[J.Am.Ceram.SOC.，91(2008)2862-2869.]；研究表明，机械化学效应也是降低固相反应的有效方法，采用星云式球磨机将商业购买的BaCO₃和TiO₂进行球磨后，在800℃固相反应2小时可以制得BaTiO₃粉末[J.Alloy.Compd.，337(2002)226-230.]。另外，采用一些容易分解的盐代替碳酸盐，也是降低固相反应的方法。以K₂CO₃、Nb₂O₅和KF按一定的比例作为原料，采用固相反应，在750℃以上才能制备得到K₂NbO₃F；而采用K₂C₂O₄代替K₂CO₃作为原料，在500℃固相反应2小时就可以制得K₂NbO₃F粉末，则反应温度降低了约250℃[J.Fluorine Chem.，84(2011)2777-2782.]。然而，自然界中碳酸盐含量丰富，且价格便宜，以碳酸盐为原料更有利于工业化生产。为此，采用碳酸盐为原料，降低固相反应的反应温度更具有实际意义。

目前，在675℃，采用商业化的SrCO₃和TiO₂为原料，一步固相反应制备SrTiO₃纳米粉末尚未见报道。

发明内容