CN103523824B - 一种光催化用纳米片状铁电材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光催化用纳米片状铁电材料的制备方法，按钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3)分子式，配置钡盐、锶盐及钛盐配置得到预混物，钡盐、锶盐按配比混合溶解于水中并加入NaOH，钛盐溶解于无水乙醇中，上述原料混合均匀后在高压釜中于160-200℃保温反应24h，然后在空气中冷却到室温，经过滤、洗涤、干燥即制备得得纳米片状钛酸锶钡粉体。与现有技术相比，本发明制备工艺简单，且制备纳米颗粒团聚现象少；与传统水热法制备钛酸锶钡纳米粉体相比，本发明采用钛酸丁酯为钛源，所制备样品纯度高且粉体结晶性好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及片状纳米铁电材料的制备技术，尤其是涉及一种光催化用纳米片状铁电材料的制备方法。
背景技术
随着科技的发展，工业领域尤其是纺织工业等所造成的环境污染逐步加剧，水体污染已经成为一个亟待解决的问题。而随着对治理手段的研究，光催化降解有机物因其高效、价廉、节能等优势逐步得到了重视。自1972年发现TiO2能依靠光能分解水制氢以来，人们对于利用光催化技术治理水污染产生了很高的兴趣。经过数十年的发展，已有很多半导体光催化剂已经被制备出来。
然而目前半导体光催化剂仍然存在着三个缺陷：1、由于半导体催化剂禁带宽度较大，导致其光响应区处于紫外光区，而紫外光在太阳光中仅占4％；2、由于光生载流子(光生电子和光生空穴)在跃迁至催化剂表面的过程中易发生复合，导致光催化效率下降；3、由于光催化剂均是半导体，其导电性不好，导致载流子转移至催化剂表面较为困难。铁电材料在光催化领域的应用时间尚短，但其具有独特的优点而受到关注。铁电材料在低于居里温度时具有自发极化现在，而且自发极化强度可以由外电场而反向。铁电材料的自发极有利于分离光催化产生的带负电的电子和带正电的空穴，因此在理论上有望提高其光催化效率。
铁电材料中，钛酸锶(SrTiO3)与钛酸钡(BaTiO3)本身具有不错的光催化效率。钛酸锶(SrTiO3)与钛酸钡(BaTiO3)固溶形成钛酸锶钡(即BST)将增加晶格的畸变程度，从而让其电子更容易激发出来，以提高光催化性能。光催化应用要求铁电材料为纳米颗粒且分散良好以增加与光以及反应物接触表面积。目前合成BST纳米粉体的方法主要有溶胶凝胶法和水热法等。溶胶凝胶法合成的BST粉体存在团聚现象较为严重，而目前水热法合成出的钛酸锶钡粉体结晶度差。在光催化应用方面，催化剂结晶性对光催化剂的催化效率产生很大的影响。因而，十分有必要采用新的合成工艺制备具有结晶性好且分散性好的纳米BST粉体以促进其在光催化领域的进一步应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有钛酸锶钡粉体合成技术粉体颗粒过大、粉体团聚过于严重及粉体结晶性不好等问题，而在此基础上结合溶胶凝胶法和传统水热法的优点，采用钛酸丁酯为原料使用水热法合成片状纳米钛酸锶钡粉体。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光催化用纳米片状铁电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按钛酸锶钡(BaxSr1-xTiO3)分子式，按摩尔比为x∶(1-x)∶1配置钡盐、锶盐及钛盐配置得到预混物；
(2)将钡盐、锶盐按配比混合溶解于水中，然后加入NaOH，搅拌溶解，将钛盐溶解于无水乙醇中，将钛盐的乙醇溶液倒入上述水溶液中，在恒温磁力搅拌器上600r/min条件下搅拌30min，直到完全混合；
(3)将混合液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在160-200℃保温24h，反应过程结束后在空气中冷却到室温，经过滤、洗涤、干燥即制备得得纳米片状钛酸锶钡粉体。
步骤(1)中x的范围为0＜x＜1。
所述的钡盐包括BaCl2、Ba(NO3)2或Ba(CH3COO)2。
所述的锶盐包括SrCl2、Sr(NO3)2或Sr(CH3COO)2。
所述的钛盐为合成或市售的钛酸丁酯((C4H9O)4Ti)。
步骤(3)中的反应温度优选160-180℃。
与现有技术相比，本发明通过结合溶胶凝胶法和传统水热法的优点，采用钛酸丁酯为原料使用水热法合成片状纳米钛酸锶钡粉体，该方法合成粉体粒径更小，团聚现象减轻，且合成的粉体结晶性好且为片状形貌，有望大幅度提高其光催化特性。上述反应中的前驱液即上述步骤(2)所得混合液中Ti(C4H9O)4水解之后形成复杂离子如[Ti(OH)2.xH2O]2+等，并且吸附Ba2+、Sr2+，在结晶过程中此离子团发生脱水反应，高温高压下前驱物脱水较快，形成大量晶核并生长，得到钛酸锶钡。在溶胶凝胶法制备钛酸锶钡中，钛酸丁酯和钡盐、锶盐结合形成前驱物，水解生成溶胶，进而生成凝胶，再经煅烧生成钛酸锶钡，而传统水热法则能提供高温高压环境，促进前驱物的水解并生成大量晶核，在控制实验温度和时间的条件下最终得到片状纳米粉体。
附图说明
图1为实施例1制备得到的钛酸锶钡的XRD图；
图2为实施例2制备得到的钛酸锶钡的XRD图；
图3为实施例1制备得到的钛酸锶钡的SEM图；
图4为实施例2制备得到的钛酸锶钡的SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐释，但并不限制本发明。
本发明的实施例中所用的主要设备的型号及生产厂家的信息如下：下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
本发明的各实施例中所用的主要设备的型号及生产厂家的信息如下：
球磨机：QM-2SP2(2L)，南京南大仪器厂；
电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9240A，上海精宏设备有限公司；
太阳光模拟器：PLS-SXE300C，北京泊菲莱科技有限公司；
紫外可见光分光光度计：UV-2550，日本岛津。
本发明的实施例中所用的原料的规格及生产厂家的信息如下：
实施例1
一种光催化用纳米片状铁电材料即钛酸锶钡的制备方法，以Ba0.7Sr0.3TiO3为例，按摩尔比计算，其中钡盐中的钡：锶盐中的锶：钛酸丁酯中的钛：氢氧化钠为0.7：0.3：1：4；采用的钡盐为BaCl2.2H2O，锶盐为SrCl2.2H2O。
称量1.7186gBaCl2.2H2O、0.8039gSrCl2.2H2O，将两种原料转移入锥形瓶中，加入25ml去离子水搅拌溶解，将1.6667gNaOH加入上述溶液中，搅拌溶解形成强碱环境。
利用量筒取3.4ml钛酸丁酯，加入适量无水乙醇形成钛酸丁酯的乙醇溶液，将此乙醇溶液倒入上述锥形瓶中，在恒温磁力搅拌器上600r/min转速下搅拌30min，之后将悬浮液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜内，在160℃的条件下进行水热反应，时间为24h，水热反应过程结束后，空冷至室温，经过滤、洗涤、干燥即得到铁电材料钛酸锶钡Ba0.7Sr0.3TiO3。制备得到钛酸锶钡的XRD图以及SEM图分别如图1和图3所示。由XRD图可看出，其图谱内不含其它杂峰，且各峰与标准图谱对应整齐，可知本方法所制备的Ba0.7Sr0.3TiO3为纯相；由SEM图可看出，本方法制备的粉体团聚现象较轻，粉体粒径较小。
实施例2
一种光催化用纳米片状铁电材料即钛酸锶钡的制备方法，以Ba0.7Sr0.3TiO3为例，按摩尔比计算，其中钡盐中的钡：锶盐中的锶：钛酸丁酯中的钛：氢氧化钠为0.7：0.3:1：4；采用的钡盐为BaCl2.2H2O，锶盐为SrCl2.2H2O。
称量1.7186gBaCl2.2H2O、0.8039gSrCl2.2H2O，将两种原料转移入锥形瓶中，加入25ml去离子水搅拌溶解，将1.6667gNaOH加入上述溶液中，搅拌溶解形成强碱环境。
利用量筒取3.4ml钛酸丁酯，加入适量无水乙醇形成钛酸丁酯的乙醇溶液，将此乙醇溶液倒入上述锥形瓶中，在恒温磁力搅拌器上600r/min转速下搅拌30min，之后将悬浮液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜内，在180℃的条件下进行水热反应，时间为24h，水热反应过程结束后，空冷至室温，经过滤、洗涤、干燥即得到铁电材料钛酸锶钡Ba0.7Sr0.3TiO3。制备得到钛酸锶钡的XRD图以及SEM图分别如图2和图4所示。由XRD图可看出，其图谱内不含其它杂峰，且各峰与标准图谱对应整齐，可知本方法所制备的Ba0.7Sr0.3TiO3为纯相；由SEM图可看出，本方法制备的粉体颗粒呈片状，粒径在100nm以内。
实施例3
一种光催化用纳米片状铁电材料即钛酸锶钡的制备方法，以Ba0.7Sr0.3TiO3为例，按摩尔比计算，其中钡盐中的钡：锶盐中的锶：钛酸丁酯中的钛：氢氧化钠为0.7：0.3：1：4；采用的钡盐为Ba(NO3)2，锶盐为Sr(NO3)2。
称量1.8295gBa(NO3)2、0.6349gSr(NO3)2，将两种原料转移入锥形瓶中，加入25ml去离子水搅拌溶解，将1.6667gNaOH加入上述溶液中，搅拌溶解形成强碱环境。
利用量筒取3.4ml钛酸丁酯，加入适量无水乙醇形成钛酸丁酯的乙醇溶液，将此乙醇溶液倒入上述锥形瓶中，在恒温磁力搅拌器上600r/min转速下搅拌30min，之后将悬浮液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜内，在160℃的条件下进行水热反应，时间为24h，水热反应过程结束后，空冷至室温，经过滤、洗涤、干燥即得到铁电材料钛酸锶钡Ba0.7Sr0.3TiO3。
实施例4
一种光催化用纳米片状铁电材料即钛酸锶钡的制备方法，以Ba0.7Sr0.3TiO3为例，按摩尔比计算，其中钡盐中的钡：锶盐中的锶：钛酸丁酯中的钛：氢氧化钠为0.7：0.3：1：4；采用的钡盐为Ba(NO3)2，锶盐为Sr(NO3)2。
称量1.8295gBa(NO3)2、0.6349gSr(NO3)2，将两种原料转移入锥形瓶中，加入25ml去离子水搅拌溶解，将1.6667gNaOH加入上述溶液中，搅拌溶解形成强碱环境。
利用量筒取3.4ml钛酸丁酯，加入适量无水乙醇形成钛酸丁酯的乙醇溶液，将此乙醇溶液倒入上述锥形瓶中，在恒温磁力搅拌器上600r/min转速下搅拌30min，之后将悬浮液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜内，在180℃的条件下进行水热反应，时间为24h，水热反应过程结束后，空冷至室温，经过滤、洗涤、干燥即得到铁电材料钛酸锶钡Ba0.7Sr0.3TiO3。
实施例5
一种光催化用纳米片状铁电材料即钛酸锶钡的制备方法，以Ba0.3Sr0.7TiO3为例，按摩尔比计算，其中钡盐中的钡：锶盐中的锶：钛酸丁酯中的钛：氢氧化钠为0.3：0.7：1：4；采用的钡盐为BaCl2.2H2O，锶盐为SrCl2.2H2O。
称量0.7238gBaCl2.2H2O、1.8663gSrCl2.2H2O，将两种原料转移入锥形瓶中，加入25ml去离子水搅拌溶解，将1.6667gNaOH加入上述溶液中，搅拌溶解形成强碱环境。
利用量筒取3.4ml钛酸丁酯，加入适量无水乙醇形成钛酸丁酯的乙醇溶液，将此乙醇溶液倒入上述锥形瓶中，在恒温磁力搅拌器上600r/min转速下搅拌30min，之后将悬浮液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜内，在160℃的条件下进行水热反应，时间为24h，水热反应过程结束后，空冷至室温，经过滤、洗涤、干燥即得到铁电材料钛酸锶钡Ba0.3Sr0.7TiO3。
实施例6
一种光催化用纳米片状铁电材料即钛酸锶钡的制备方法，以Ba0.3Sr0.7TiO3为例，按摩尔比计算，其中钡盐中的钡：锶盐中的锶：钛酸丁酯中的钛：氢氧化钠为0.3：0.7：1：4；采用的钡盐为BaCl2.2H2O，锶盐为SrCl2.2H2O。
称量0.7238gBaCl2.2H2O、1.8663gSrCl2.2H2O，将两种原料转移入锥形瓶中，加入25ml去离子水搅拌溶解，将1.6667gNaOH加入上述溶液中，搅拌溶解形成强碱环境。
利用量筒取3.4ml钛酸丁酯，加入适量无水乙醇形成钛酸丁酯的乙醇溶液，将此乙醇溶液倒入上述锥形瓶中，在恒温磁力搅拌器上600r/min转速下搅拌30min，之后将悬浮液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜内，在180℃的条件下进行水热反应，时间为24h，水热反应过程结束后，空冷至室温，经过滤、洗涤、干燥即得到铁电材料钛酸锶钡Ba0.3Sr0.7TiO3。
实施例7
一种光催化用纳米片状铁电材料即钛酸锶钡的制备方法，以Ba0.3Sr0.7TiO3为例，按摩尔比计算，其中钡盐中的钡：锶盐中的锶：钛酸丁酯中的钛：氢氧化钠为0.3：0.7：1：4；采用的钡盐为Ba(NO3)2，所述的锶盐为Sr(NO3)2。
称量0.7841gBa(NO3)2、1.4814gSr(NO3)2，将两种原料转移入锥形瓶中，加入25ml去离子水搅拌溶解，将1.6667gNaOH加入上述溶液中，搅拌溶解形成强碱环境。
利用量筒取3.4ml钛酸丁酯，加入适量无水乙醇形成钛酸丁酯的乙醇溶液，将此乙醇溶液倒入上述锥形瓶中，在恒温磁力搅拌器上600r/min转速下搅拌30min，之后将悬浮液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜内，在160℃的条件下进行水热反应，时间为24h，水热反应过程结束后，空冷至室温，经过滤、洗涤、干燥即得到铁电材料钛酸锶钡Ba0.3Sr0.7TiO3。
实施例8
一种光催化用纳米片状铁电材料即钛酸锶钡的制备方法，以Ba0.3Sr0.7TiO3为例，按摩尔比计算，其中钡盐中的钡：锶盐中的锶：钛酸丁酯中的钛：氢氧化钠为0.3：0.7：1：4；采用的钡盐为Ba(NO3)2，所述的锶盐为Sr(NO3)2。
称量0.7841gBa(NO3)2、1.4814gSr(NO3)2，将两种原料转移入锥形瓶中，加入25ml去离子水搅拌溶解，将1.6667gNaOH加入上述溶液中，搅拌溶解形成强碱环境。
利用量筒取3.4ml钛酸丁酯，加入适量无水乙醇形成钛酸丁酯的乙醇溶液，将此乙醇溶液倒入上述锥形瓶中，在恒温磁力搅拌器上600r/min转速下搅拌30min，之后将悬浮液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜内，在180℃的条件下进行水热反应，时间为24h，水热反应过程结束后，空冷至室温，经过滤、洗涤、干燥即得到铁电材料钛酸锶钡Ba0.3Sr0.7TiO3。
Claims (2)
1.一种光催化用纳米片状铁电材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)按钛酸锶钡分子式BaxSr1-xTiO3，按摩尔比为x:(1-x):1配置钡盐、锶盐及钛盐，x的范围为0<x<1；
(2)将钡盐、锶盐按配比混合溶解于水中，然后加入NaOH,搅拌溶解，将钛盐溶解于无水乙醇中，将钛盐的乙醇溶液倒入上述水溶液中，在恒温磁力搅拌器上600r/min条件下搅拌30min，直到完全混合；
(3)将混合液转移入聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在160-200℃保温反应24h，反应过程结束后在空气中冷却到室温，经过滤、洗涤、干燥即制备得到纳米片状钛酸锶钡粉体；
所述的钡盐包括BaCl2、Ba(NO3)2或Ba(CH3COO)2；所述的锶盐包括SrCl2、Sr(NO3)2或Sr(CH3COO)2；所述的钛盐为合成或市售的钛酸丁酯((C4H9O)4Ti)。
2.根据权利要求1所述的一种光催化用纳米片状铁电材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中的反应温度优选160-180℃。
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