CN102515277B - 一种铁酸铋碗状晶体的制备方法 - Google Patents

一种铁酸铋碗状晶体的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种铁酸铋碗状晶体的制备方法，包括制备铁和铋的羟基氧化物沉淀作为反应物料，加入适宜浓度的氢氧化钾促进晶化，在水热***中引入硝酸铬来控制铁酸铋晶体的生长，于110~200oC下，以水为溶剂，水热反应得到结晶良好的铁酸铋碗状晶体。本发明首次实现了铁酸铋碗状晶体的合成，并且工艺过程简单，铁酸铋碗状晶体的尺寸容易控制，成本低廉，无污染，易于实现规模化生产。该产品在磁性、铁电器件和新型存储器件等方面具有广泛的应用前景。

Description

一种铁酸铋碗状晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种铁酸铋碗状晶体的制备方法，属于无机非金属材料领域。
背景技术
多铁材料是集铁电性和磁性于一身的材料，铁电性和磁性的共存不仅使多铁材料在磁性和铁电器件方面具有重要的应用前景，而且在新型存储器件方面也具有重要意义。作为一种典型的单相多铁性材料，纯相BiFeO3具有钙钛矿结构，是少数在室温下同时具有铁电性和磁性的材料之一，铁酸铋已经成为国内外学者的研究热点。 
纳米材料的性能取决于晶体的形貌和尺寸等因素，因此，铁酸铋碗状晶体的制备在理论研究和实际应用方面都意义重大。而纳米晶体的液相合成方法具有操作简单，设备要求低，无污染、成本低廉等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单、易操作，成本低廉的制备铁酸铋碗状晶体的方法。
本发明的铁酸铋碗状晶体的制备方法，采用的是水热合成法，具体步骤如下：
1)将硝酸铁溶于水溶液，调节溶液中的Fe3+离子浓度为0.2~0.8mol/L；
2)搅拌状态下，向步骤1)制得的硝酸铁的水溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到钛的羟基氧化物沉淀；
3)将硝酸铋溶于0.2wt%的稀硝酸溶液，形成硝酸铋溶液，调节溶液中铋离子的浓度为0.2~0.8mol/L；
4)搅拌状态下，向步骤3)制得的硝酸铋溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到铋的羟基氧化物沉淀；
5)将铁和铋的羟基氧化物沉淀、氢氧化钾和硝酸铬加入到反应釜内胆中，用蒸馏水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的70%~90%，搅拌10~40分钟，其中铁的羟基氧化物的摩尔浓度为0.1~0.5mol/L，铁与铋的摩尔比为1:1，铬与铁的摩尔比为0.001~0.01，氢氧化钾的摩尔浓度为6~12mol/L，摩尔浓度的体积基数为所有引入反应釜内胆中的物料体积；
6)将步骤5)配置有反应物料的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在120~200oC下保温6~24小时进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用0.2wt%的稀硝酸和蒸馏水反复洗涤反应产物，过滤、烘干，得到铁酸铋碗状晶体。
本发明制备过程中，使用的反应釜是聚四氟乙烯内胆，不锈钢套件密闭的反应釜。
本发明制备过程中，所说的硝酸铁、硝酸铋、硝酸铬、氢氧化钾、和无水乙醇的纯度均不低于化学纯。
本发明的有益效果在于：
本发明采用水热法制备了结晶稳定性好、纯度高的铁酸铋碗状晶体。本发明的铁酸铋碗状晶体的水热合成方法，无环境污染、设备简单、工艺条件容易控制、制备的成本低廉、易于工业化生产。本发明的铁酸铋碗状晶体在微波领域、精密控制、自旋电子器件、信息存储、卫星通讯的电路测量、磁电传感器等领域有着广泛的应用前景，在基础物理的研究方面也具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明实施例1合成的铁酸铋碗状晶体的XRD图谱；
图2是本发明实施例1合成的铁酸铋碗状晶体的透射电镜(TEM)照片。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
1)将硝酸铁溶于水溶液，调节溶液中的Fe3+离子浓度为0.2mol/L；
2)搅拌状态下，向步骤1)制得的硝酸铁的水溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到钛的羟基氧化物沉淀；
3)将硝酸铋溶于0.2wt%的稀硝酸溶液，形成硝酸铋溶液，调节溶液中铋离子的浓度为0.2mol/L；
4)搅拌状态下，向步骤3)制得的硝酸铋溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到铋的羟基氧化物沉淀；
5)将铁和铋的羟基氧化物沉淀、氢氧化钾和硝酸铬加入到反应釜内胆中，用蒸馏水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的70%，搅拌10分钟，其中铁的羟基氧化物的摩尔浓度为0.1mol/L，铁与铋的摩尔比为1:1，铬与铁的摩尔比为0.001，氢氧化钾的摩尔浓度为6mol/L，摩尔浓度的体积基数为所有引入反应釜内胆中的物料体积；
6)将步骤5)配置有反应物料的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在120oC下保温6小时进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用0.2wt%的稀硝酸和蒸馏水反复洗涤反应产物，过滤、烘干，得到铁酸铋碗状晶体，碗状晶体的外径约为1um，内径约为600nm，高度约为800nm。其XRD图谱见图1，透射电镜(TEM)照片见图2。
实施例2
1)将硝酸铁溶于水溶液，调节溶液中的Fe3+离子浓度为0.35mol/L；
2)搅拌状态下，向步骤1)制得的硝酸铁的水溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到钛的羟基氧化物沉淀；
3)将硝酸铋溶于0.2wt%的稀硝酸溶液，形成硝酸铋溶液，调节溶液中铋离子的浓度为0.4mol/L；
4)搅拌状态下，向步骤3)制得的硝酸铋溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到铋的羟基氧化物沉淀；
5)将铁和铋的羟基氧化物沉淀、氢氧化钾和硝酸铬加入到反应釜内胆中，用蒸馏水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的80%，搅拌25分钟，其中铁的羟基氧化物的摩尔浓度为0.3mol/L，铁与铋的摩尔比为1:1，铬与铁的摩尔比为0.003，氢氧化钾的摩尔浓度为8mol/L，摩尔浓度的体积基数为所有引入反应釜内胆中的物料体积；
6)将步骤5)配置有反应物料的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在150oC下保温12小时进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用0.2wt%的稀硝酸和蒸馏水反复洗涤反应产物，过滤、烘干，得到铁酸铋碗状晶体，碗状晶体的外径约为1.2um，内径约为650nm，高度约为750nm。
实施例3
1)将硝酸铁溶于水溶液，调节溶液中的Fe3+离子浓度为0.6mol/L；
2)搅拌状态下，向步骤1)制得的硝酸铁的水溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到钛的羟基氧化物沉淀；
3)将硝酸铋溶于0.2wt%的稀硝酸溶液，形成硝酸铋溶液，调节溶液中铋离子的浓度为0.55mol/L；
4)搅拌状态下，向步骤3)制得的硝酸铋溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到铋的羟基氧化物沉淀；
5)将铁和铋的羟基氧化物沉淀、氢氧化钾和硝酸铬加入到反应釜内胆中，用蒸馏水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的85%，搅拌30分钟，其中铁的羟基氧化物的摩尔浓度为0.4mol/L，铁与铋的摩尔比为1:1，铬与铁的摩尔比为0.008，氢氧化钾的摩尔浓度为10mol/L，摩尔浓度的体积基数为所有引入反应釜内胆中的物料体积；
6)将步骤5)配置有反应物料的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在180oC下保温21小时进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用0.2wt%的稀硝酸和蒸馏水反复洗涤反应产物，过滤、烘干，得到铁酸铋碗状晶体，碗状晶体的外径约为1.3um，内径约为700nm，高度约为850nm。
实施例4
1)将硝酸铁溶于水溶液，调节溶液中的Fe3+离子浓度为0.8mol/L；
2)搅拌状态下，向步骤1)制得的硝酸铁的水溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到钛的羟基氧化物沉淀；
3)将硝酸铋溶于0.2wt%的稀硝酸溶液，形成硝酸铋溶液，调节溶液中铋离子的浓度为0.8mol/L；
4)搅拌状态下，向步骤3)制得的硝酸铋溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到铋的羟基氧化物沉淀；
5)将铁和铋的羟基氧化物沉淀、氢氧化钾和硝酸铬加入到反应釜内胆中，用蒸馏水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的90%，搅拌40分钟，其中铁的羟基氧化物的摩尔浓度为0.5mol/L，铁与铋的摩尔比为1:1，铬与铁的摩尔比为0.01，氢氧化钾的摩尔浓度为12mol/L，摩尔浓度的体积基数为所有引入反应釜内胆中的物料体积；
6)将步骤5)配置有反应物料的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在200oC下保温24小时进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用0.2wt%的稀硝酸和蒸馏水反复洗涤反应产物，过滤、烘干，得到铁酸铋碗状晶体，碗状晶体的外径约为1.5um，内径约为700nm，高度约为900nm。

Claims (3)

1.一种铁酸铋碗状晶体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将硝酸铁溶于水溶液，调节溶液中的Fe3+离子浓度为0.2~0.8mol/L；
2)搅拌状态下，向步骤1)制得的硝酸铁的水溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到铁的羟基氧化物沉淀；
3)将硝酸铋溶于0.2wt%的稀硝酸溶液，形成硝酸铋溶液，调节溶液中铋离子的浓度为0.2~0.8mol/L；
4)搅拌状态下，向步骤3)制得的硝酸铋溶液中加入氢氧化钾水溶液，使溶液的pH值为14，将得到的沉淀过滤、洗涤，得到铋的羟基氧化物沉淀；
5)将铁和铋的羟基氧化物沉淀、氢氧化钾和硝酸铬加入到反应釜内胆中，用蒸馏水调节反应釜内胆中的反应物料体积达到反应釜内胆容积的70%~90%，搅拌10~40分钟，其中铁的羟基氧化物的摩尔浓度为0.1~0.5mol/L，铁与铋的摩尔比为1:1，铬与铁的摩尔比为0.001~0.01，氢氧化钾的摩尔浓度为6~12mol/L，摩尔浓度的体积基数为所有引入反应釜内胆中的物料体积；
6)将步骤5)配置有反应物料的反应釜内胆置于反应釜中，密封，在120~200oC下保温6~24小时进行水热处理，然后让反应釜自然冷却到室温，卸釜后，用0.2wt%的稀硝酸和蒸馏水反复洗涤反应产物，过滤、烘干，得到铁酸铋碗状晶体。
2.根据权利要求1所述的铁酸铋碗状晶体的制备方法，其特征是反应釜为聚四氟乙烯内胆，不锈钢套件密闭的反应釜。
3.根据权利要求1所述的铁酸铋碗状晶体的制备方法， 其特征是所说的硝酸铁、硝酸铋、氢氧化钾、硝酸铬的纯度均不低于化学纯。
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