RU2663738C1 - Способ получения полых микросфер феррита висмута - Google Patents
Способ получения полых микросфер феррита висмута Download PDFInfo
- Publication number
- RU2663738C1 RU2663738C1 RU2017140965A RU2017140965A RU2663738C1 RU 2663738 C1 RU2663738 C1 RU 2663738C1 RU 2017140965 A RU2017140965 A RU 2017140965A RU 2017140965 A RU2017140965 A RU 2017140965A RU 2663738 C1 RU2663738 C1 RU 2663738C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bismuth
- bismuth ferrite
- temperature
- iron
- ferrite
- Prior art date
Links
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 42
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 38
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 14
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 27
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims abstract description 17
- PPNKDDZCLDMRHS-UHFFFAOYSA-N dinitrooxybismuthanyl nitrate Chemical class [Bi+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O PPNKDDZCLDMRHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 abstract description 12
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 abstract description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 abstract description 2
- 239000011941 photocatalyst Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 15
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 12
- 239000000047 product Substances 0.000 description 11
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 9
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 8
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 4
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001451 bismuth ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- RXPAJWPEYBDXOG-UHFFFAOYSA-N hydron;methyl 4-methoxypyridine-2-carboxylate;chloride Chemical compound Cl.COC(=O)C1=CC(OC)=CC=N1 RXPAJWPEYBDXOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 2
- VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N iron(3+);trinitrate Chemical compound [Fe+3].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O VCJMYUPGQJHHFU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L potassium persulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 238000003878 thermal aging Methods 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- LQJBNNIYVWPHFW-UHFFFAOYSA-N 20:1omega9c fatty acid Natural products CCCCCCCCCCC=CCCCCCCCC(O)=O LQJBNNIYVWPHFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 150000001621 bismuth Chemical class 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- GVGUFUZHNYFZLC-UHFFFAOYSA-N dodecyl benzenesulfonate;sodium Chemical compound [Na].CCCCCCCCCCCCOS(=O)(=O)C1=CC=CC=C1 GVGUFUZHNYFZLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000706 filtrate Substances 0.000 description 1
- LQJBNNIYVWPHFW-QXMHVHEDSA-N gadoleic acid Chemical compound CCCCCCCCCC\C=C/CCCCCCCC(O)=O LQJBNNIYVWPHFW-QXMHVHEDSA-N 0.000 description 1
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- -1 iron ions Chemical class 0.000 description 1
- MVFCKEFYUDZOCX-UHFFFAOYSA-N iron(2+);dinitrate Chemical compound [Fe+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O MVFCKEFYUDZOCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 1
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 1
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229940080264 sodium dodecylbenzenesulfonate Drugs 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J13/00—Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
- B01J13/0095—Preparation of aerosols
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J13/00—Colloid chemistry, e.g. the production of colloidal materials or their solutions, not otherwise provided for; Making microcapsules or microballoons
- B01J13/02—Making microcapsules or microballoons
- B01J13/04—Making microcapsules or microballoons by physical processes, e.g. drying, spraying
- B01J13/043—Drying and spraying
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/76—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
- B01J23/84—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
- B01J23/843—Arsenic, antimony or bismuth
- B01J23/8437—Bismuth
-
- B01J35/51—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G29/00—Compounds of bismuth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G49/00—Compounds of iron
- C01G49/0018—Mixed oxides or hydroxides
Abstract
Изобретение может быть использовано для получения наноструктурированных порошков феррита висмута BiFeO, применяемых в микроэлектронике, спинтронике, устройствах для магнитной записи информации, в производстве фотокатализаторов, материалов для фотовольтаики. Способ получения полых микросфер феррита висмута включает ультразвуковое воздействие на смесь нитратов железа и висмута, взятых в стехиометрическом соотношении, сушку и последующее прокаливание. Ультразвуковому воздействию подвергают водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л в пересчете на феррит висмута. Водный раствор переводят во взвешенное состояние с образованием аэрозоля, частицы которого подаются в зону сушки, а затем в зону прокаливания. Частота ультразвукового воздействия 1,7–3,0 МГц, скорость подачи воздуха 0,150–0,185 м/с. Полученный продукт сушат при 250-350°С и прокаливают при 800-820°С. Изобретение позволяет сократить процесс получения полых микросфер феррита висмута до нескольких секунд. 4 ил., 4 пр.
Description
Изобретение относится к химической промышленности, в частности, к способу получения наноструктурированных порошков феррита висмута для использования в микроэлектронике, спинтронике, устройствах для магнитной записи информации, фотокатализаторов, материалов для фотовольтаики и т.д.
Известен способ получения полых сферических частиц феррита висмута. Способ включает следующие этапы: добавление додецилбензолсульфоната натрия и стирола в нагревательный контейнер, содержащий деионизированную воду при комнатной температуре, добавление персульфата калия в нагревательный контейнер с перемешиванием и проведение изотермической реакции в течение 2 часов; добавление стирола, гадолевой кислоты, персульфата калия и бикарбоната натрия в нагревательный контейнер, проведение реакции в течение от 2 до 5 часов, а затем проведение центрифугирования с целью отделения нанокристаллов сополимера стирола и гадолеиновой кислоты; ультразвуковое диспергирование полученных наносфер сополимера в воде, добавление в дисперсию поливинилпирролидона, 9-водного нитрата трехвалентного железа и 5-водного нитрата висмута в молярном соотношении 1: 1, ультразвуковая обработка для получения суспензии; добавление водного раствора мочевины в суспензию, проведение изотермической реакции, затем проведение фильтрации с получением висмутовых композитных наносфер с полистирол-гадолеиновой кислотой и проведение высокотемпературного прокаливания, в результате чего получают полые наносферы феррита висмута (патент CN 105536807; МПК B01J 23/843, B01J 35/08, C01G 49/00, C02F 1/30; 2016 год).
Недостатком известного способа является многостадийность процесса, использование на каждой стадии специального оборудования и применение большого количества вредных органических соединений, которые остаются в фильтрате и требуют дальнейшей утилизации.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения полых микросфер феррита висмута, включающий следующие стадии: растворение соли висмута и соли трехвалентного железа, в частности нитратов висмута и железа в смешанном спиртовом растворе абсолютного этилового спирта и глицерина, добавление лимонной кислоты и равномерное перемешивание, диспергирование ультразвуком, помещение в гидротермальный сосуд из нержавеющей стали для проведения термического старения в течение 24 часов, сушку продукта в течение 12 часов и его прокаливание в течение 4 часов.
Недостатками известного способа являются длительность процесса, обусловленная в частности наличием дополнительных стадий термического старения, фильтрации, неоднократной промывки продукта, а также использование органических соединений в качестве исходных.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения феррита висмута в виде полых микросфер, обеспечивающий значительное сокращение времени процесса.
Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения полых микросфер феррита висмута, включающем ультразвуковое воздействие на смесь нитратов железа и висмута, взятых в стехиометрическом соотношении, сушку и последующее прокаливание, в котором ультразвуковому воздействию с частотой 1,7–3,0 МГц при скорости подачи воздуха 0,150–0,185 м/с подвергают водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута), сушат полученный продукт при температуре 250-350°С и прокаливают при температуре 800-820°С.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения полых микросфер феррита висмута с использованием ультразвукового воздействия с частотой 1,7–3,0 МГц при скорости подачи воздуха 0,150–0,185 м/с на водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута), сушкой полученного продукта при температуре 250-350°С и прокаливанием при температуре 800-820°С.
Авторами предлагаемого технического решения разработан способ получения полых микросфер феррита висмута, обеспечивающий непрерывный процесс синтеза. Водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута) посредством звукового воздействия переводят во взвешенное состояние с образованием аэрозоля, частицы которого подаются непосредственно в зону сушки с температурой 250-350°С, а затем в зону прокаливания с температурой 800-820°С. Проведенные авторами исследования позволили определить параметры и условия ультразвукового воздействия, обеспечивающие получения капель аэрозоля, которые формируются в процессе сушки в полые микросферы. Размер капель аэрозоля пропорционален корню кубическому из(1/ F2), где F – частота ультразвука. Так, при частоте ниже 1,7 Мгц наблюдается резкое увеличение размера капель более 10 мкм, что затрудняет образование микросфер. Повышение частоты выше 3 Мгц нецелесообразно, так как размер капель при дальнейшем увеличении частоты остаётся практически неизменным. Средний размер капель аэрозоля в области частот от 1,7 до 3 МГц составляет порядка 2,5 мкм, что обусловливает получение микросфер с размером 0,69-0,98 мкм. Для такого аэрозоля скорость движения капель в реакторе равна скорости потока воздуха и составляет 0,150–0,185 м/с. Количество капель аэрозоля, уносимого воздухом пропорционально его расходу (скорости потока). При скорости подачи воздуха менее 0,150 м/с резко уменьшается производительность. При скорости подачи воздуха более 0,185 м/с не происходит полного синтеза феррита висмута в высокотемпературной области, и, как следствие, получают неоднофазные образцы.
Концентрация исходного водного раствора нитратов также оказывает существенное влияние на конечный продукт. А именно, при концентрации ниже 0,24 моль/л (в пересчете на феррит висмута) в конечном продукте наблюдаются примесные следы фазы Bi25FeO40. При концентрации выше 0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута) наблюдается увеличение диаметра сфер феррита висмута более 1 мкм. Экспериментально установлено, что диаметр частиц хорошо согласуется с теоретическим выражением:
где СF - концентрация феррита висмута, ρp – плотность высушенного материала. Плотность частиц, ρP, в этом уравнении - это масса частицы, деленная на объем сферы диаметром dg и может быть значительно ниже истинной плотности, поскольку она включает внутренние и внешние пустоты и совпадает с результатами измерений пикнометрической плотности. dD – средний размер капель аэрозоля.
Исследования авторов основывались на предположении, что морфология частиц формируется во время сушки и сохраняется в процессе последующего прокаливания. Сушка капель аэрозоля, содержащих растворённые частицы, связана со сложным многофазным переносом тепла и массы. Процесс испарения условно можно разделить на две стадии: первая состоит из испарения до образования оболочки частиц или когда отношение твердое вещество к жидкости достаточно велико и второй этап, где размер капли обычно остаётся неизменным, а температура капли приближается к температуре окружающей среды. После сушки капля попадает в зону прокаливания. Во время прокаливания сохраняется сформированная в результате сушки морфология. Важным является контроль механизмов, которые определяют радиальное распределение компонентов в процессе сушки. По мере того, как испаряющаяся капля сжимается, уменьшение доли воды приводит к увеличению концентрации растворенных веществ на поверхности. Это вызывает диффузионный поток от поверхности к центру капли. Процесс обусловлен различием между давлением паров воды около поверхности капли и их парциальным давлением в газовой фазе. Скорость испарения зависит от баланса энергии, необходимой для испарения воды и энергии, переносимой на поверхность капли, которые определяются температурой воздуха во время сушки. Проведённые авторами оценки скорости испарения и коэффициентов диффузии позволили оценить температуру сушки.
Первый критерий это коэффициент испарения k с размерностью м2/с. Время необходимое для испарения определяется выражением:
t = dD/k
Наши расчёты и предварительные эксперименты показали, что при температуре ниже 200°С капля не успевает высохнуть. Второй критерий это радиальное распределение растворённых компонентов в объёме капли. Температура сушки определяет радиальное распределение компонентов в процессе сушки, так как при постоянном расходе аэрозоля приводит к изменению коэффициента диффузии и скорости испарения. Критерием возникновения пересыщенного раствора на поверхности капли является безразмерный параметр Пекле.
где Di – коэффициент диффузии (м2/с) i – го компонента (ионов железа и висмута).
Тогда отношение концентрации Cs,i i – го компонента к средней концентрации Cm,i в капле приближённо описывается выражением
Для того чтобы получить полые частицы, параметр Pe должен быть больше единицы как для ионов железа, так и для ионов висмута. Проведённые расчёты позволили установить, что параметр Пекле превышает единицу при температуре сушки более 250 оС. Экспериментально установлено, что при увеличении температуры от 250°С до 350°С и концентрации раствора нитратов железа и висмута 0,32 моль/л (в пересчете на феррит висмута) диаметр сфер уменьшается от 0,86 до 0,75 мкм, а толщина оболочки увеличивается от 0,073 до 0,099 мкм. Дальнейшее увеличение температуры сушки приводит к увеличению диаметра сфер из-за формирования более рыхлой оболочки. Поэтому для формирования частиц с плотной оболочкой выбран диапазон температур сушки 250-350°С. При увеличении концентрации раствора нитратов железа и висмута от 0,24 до 0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута) и температуре сушки 350°С диаметр сферы увеличивается от 0,69 мкм до 0,98 мкм, а толщина оболочки увеличивается от 0,093 до 0,12 мкм. При дальнейшем увеличении концентрации диаметр сфер становится больше 1 мкм. При концентрации раствора нитратов железа и висмута меньше 0,24 моль/л (в пересчете на феррит висмута) образцы неоднофазны, что связано с различием коэффициентов диффузии для ионов железа и висмута. Поэтому был выбран диапазон концентраций от 0,24 до 0,48 моль/л.
Предлагаемый способ обеспечивает непрерывный поточный процесс, проводимый в пределах одной установки, включающей зону ультразвукового воздействия, зону сушки и зону прокаливания, каждая из которых характеризуется определенным температурным интервалом.
Предлагаемый способ может быть реализован следующим образом. Готовят водный раствор нитратов железа и висмута, взятых в стехиометрическом соотношении, с концентрацией 0,24-0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута), подвергают раствор ультразвуковой обработке на частоте 1,7-3,0 МГц при скорости подачи воздуха 0,150–0,185 м/с для образования капель аэрозоля, которые поступают в зону сушки с температурой 250°С-350°С и затем в зону прокаливания с температурой прокаливания 800°С-820°С. Время получения составляет 5,4 с. После того как израсходуется весь раствор, процесс останавливают и извлекают готовый порошок из бункера для сбора продукта. В результате получают порошок феррита висмута состава BiFeO3 в виде полых микросфер диаметра 0,69-0,98 мкм и толщиной оболочки 0,073–0,12 мкм.
Полученный продукт аттестован следующими методами: фазовый состав продукта определялся с помощью рентгенофазового анализа, проведенного на XRD-7000 (SHIMADZU) с вторичным монохроматором Cu Kα излучения с поликристаллическим кремнием, используемым в качестве внутреннего стандарта. Анализ рентгенограмм осуществляли с помощью программы PowderCell. Морфологию образцов изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6390LA.
Рентгенограммы полученных образцов представлены на фиг. 1 и 3. Для всех полученных образцов рефлексы соответствуют ферриту BiFeO3 со структурой перовскита и пространственной группой R3c (ICSD Collection Code 15299), параметры элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм, рентгеновская плотность 8,31 г/см3. Средняя плотность, определенная с помощью гелевого пикнометра AccuPyc, составляет 5,3 г/см3 . Разница между рентгеновской и средней плотностью косвенно доказывает, что частицы полые с непроницаемой для гелия оболочкой.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Берут 50 мл раствора, содержащего нитраты железа и висмута, взятые по стехиометрии, в концентрации 0,32 моль/л (в пересчете на феррит висмута), помещают в емкость ультразвукового распылителя, устанавливают температуру зоны сушки 250°С, температуру зоны прокаливания 800°С. Ультразвуковую обработку проводят при частоте 1,7 МГц и скорости потока 0,185 м/с. По окончании синтеза готовый порошок достают из бункера для готового продукта. В результате получают однофазный феррит висмута BiFeO3 (фиг.1) с параметрами элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм и рентгеновской плотностью 8,31 г/см3. По данным сканирующей электронной микроскопии, порошок состоит из полых сфер со средним диаметром 0,86 мкм (фиг.2) и толщиной оболочки 0,073 мкм. Пикнометрическая плотность феррита 4,3 г/см3, что составляет 52% от рентгеновской.
Пример 2. Берут 50 мл раствора, содержащего нитраты железа и висмута, взятые по стехиометрии, в концентрации 0,32 моль/л (в пересчете на феррит висмута), помещают в емкость ультразвукового распылителя, устанавливают температуру зоны сушки 350°С, температуру зоны прокаливания 800°С. Ультразвуковую обработку проводят при частоте 1,7 МГц и скорости потока 0,15 м/с. По окончании синтеза готовый порошок достают из бункера для готового продукта. В результате получают однофазный феррит висмута BiFeO3 (фиг.3) с параметрами элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм и рентгеновской плотностью 8,31 г/см3. По данным сканирующей электронной микроскопии, порошок состоит из полых сфер со средним диаметром 0,75 мкм (фиг.4) и толщиной оболочки 0,099 мкм. Пикнометрическая плотность феррита 4,85 г/см3, что составляет 58% от рентгеновской.
Пример 3. Берут 50 мл раствора, содержащего нитраты железа и висмута, взятые по стехиометрии, в концентрации 0,24 моль/л (в пересчете на феррит висмута), помещают в емкость ультразвукового распылителя, устанавливают температуру зоны сушки 350°С, температуру зоны прокаливания 800°С. Ультразвуковую обработку проводят при частоте 3 МГц и скорости потока 0,185 м/с. По окончании синтеза готовый порошок достают из бункера для готового продукта. В результате получают однофазный феррит висмута BiFeO3 с параметрами элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм и рентгеновской плотностью 8,31 г/см3. По данным сканирующей электронной микроскопии, порошок состоит из полых сфер со средним диаметром 0,69 мкм и толщиной оболочки 0,093 мкм. Пикнометрическая плотность феррита 5,1 г/см3, что составляет 61% от рентгеновской.
Пример 4. Берут 50 мл раствора, содержащего нитраты железа и висмута, взятые по стехиометрии, в концентрации 0,48 моль/л (в пересчете на феррит висмута), помещают в емкость ультразвукового распылителя, устанавливают температуру зоны сушки 350°С, температуру зоны прокаливания 820°С. Ультразвуковую обработку проводят при частоте 3 МГц и скорости потока 0,150 м/с. По окончании синтеза готовый порошок достают из бункера для готового продукта. В результате получают однофазный феррит висмута BiFeO3 с параметрами элементарной ячейки а=0,55880 нм, с=1,38670 нм и рентгеновской плотностью 8,31 г/см3. По данным сканирующей электронной микроскопии, порошок состоит из полых сфер со средним диаметром 0,98 мкм и толщиной оболочки 0,12 мкм. Пикнометрическая плотность феррита 5,3 г/см3, что составляет 63% от рентгеновской.
Таким образом, авторами предлагается способ получения полых микросфер феррита висмута, обеспечивающий значительное сокращение процесса получения (время получения составляет порядка нескольких секунд).
Работа выполнена при поддержке РФФИ гранд № 17-08-00893.
Claims (1)
- Способ получения полых микросфер феррита висмута, включающий ультразвуковое воздействие на смесь нитратов железа и висмута, взятых в стехиометрическом соотношении, сушку и последующее прокаливание, отличающийся тем, что ультразвуковому воздействию с частотой 1,7–3,0 МГц при скорости подачи воздуха 0,150–0,185 м/с подвергают водный раствор смеси нитратов железа и висмута с концентрацией 0,24-0,48 моль/л в пересчете на феррит висмута, сушат полученный продукт при температуре 250-350°С и прокаливают при температуре 800-820°С.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017140965A RU2663738C1 (ru) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Способ получения полых микросфер феррита висмута |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017140965A RU2663738C1 (ru) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Способ получения полых микросфер феррита висмута |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2663738C1 true RU2663738C1 (ru) | 2018-08-09 |
Family
ID=63142564
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017140965A RU2663738C1 (ru) | 2017-11-24 | 2017-11-24 | Способ получения полых микросфер феррита висмута |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2663738C1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111185183A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-22 | 中山大学 | 一种原位析出Bi单质包覆BiFeO3复合纳米光催化剂的制备方法 |
CN111233031A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-05 | 国家纳米科学中心 | 一种钙钛矿量子点及其制备方法 |
CN112569955A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-03-30 | 江南大学 | 一种降解有机染料废水的CeO2/BiFeO3纳米纤维光催化剂及制备方法 |
CN116251566A (zh) * | 2023-03-01 | 2023-06-13 | 西华师范大学 | 一种铋掺杂聚乙烯吡咯烷酮多孔炭材料的制备方法及应用 |
CN116251566B (en) * | 2023-03-01 | 2024-04-30 | 西华师范大学 | Preparation method and application of bismuth-doped polyvinylpyrrolidone porous carbon material |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101791558A (zh) * | 2010-03-19 | 2010-08-04 | 上海师范大学 | 中空结构铁酸铋微球光催化剂及其制备方法 |
CN105536807A (zh) * | 2015-12-27 | 2016-05-04 | 河南泛锐复合材料研究院有限公司 | 一种铁酸铋纳米空心球的制备方法 |
CN106698521A (zh) * | 2017-02-27 | 2017-05-24 | 陕西科技大学 | 一种三维花状的铁酸铋粉体及其制备方法 |
RU2016117571A (ru) * | 2016-05-04 | 2017-11-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Способ получения нанопорошка феррита висмута |
-
2017
- 2017-11-24 RU RU2017140965A patent/RU2663738C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101791558A (zh) * | 2010-03-19 | 2010-08-04 | 上海师范大学 | 中空结构铁酸铋微球光催化剂及其制备方法 |
CN105536807A (zh) * | 2015-12-27 | 2016-05-04 | 河南泛锐复合材料研究院有限公司 | 一种铁酸铋纳米空心球的制备方法 |
RU2016117571A (ru) * | 2016-05-04 | 2017-11-15 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ДАГЕСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Способ получения нанопорошка феррита висмута |
CN106698521A (zh) * | 2017-02-27 | 2017-05-24 | 陕西科技大学 | 一种三维花状的铁酸铋粉体及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
UXIA SUN et al., Study on visible light response and magnetism of bismuth ferrites synthesized by a low temperature hydrothermal method, Ceramics International,v. 39, May 2013, pp. 4651-4656. * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111185183A (zh) * | 2020-01-08 | 2020-05-22 | 中山大学 | 一种原位析出Bi单质包覆BiFeO3复合纳米光催化剂的制备方法 |
CN111233031A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-05 | 国家纳米科学中心 | 一种钙钛矿量子点及其制备方法 |
CN111233031B (zh) * | 2020-01-19 | 2022-08-02 | 国家纳米科学中心 | 一种钙钛矿量子点及其制备方法 |
CN112569955A (zh) * | 2020-12-09 | 2021-03-30 | 江南大学 | 一种降解有机染料废水的CeO2/BiFeO3纳米纤维光催化剂及制备方法 |
CN112569955B (zh) * | 2020-12-09 | 2022-05-17 | 江南大学 | 一种降解有机染料废水的CeO2/BiFeO3纳米纤维光催化剂及制备方法 |
CN116251566A (zh) * | 2023-03-01 | 2023-06-13 | 西华师范大学 | 一种铋掺杂聚乙烯吡咯烷酮多孔炭材料的制备方法及应用 |
CN116251566B (en) * | 2023-03-01 | 2024-04-30 | 西华师范大学 | Preparation method and application of bismuth-doped polyvinylpyrrolidone porous carbon material |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2663738C1 (ru) | Способ получения полых микросфер феррита висмута | |
KR100621675B1 (ko) | 나노미터 그레이드 분말의 제조 방법 | |
Tai et al. | Synthesis of magnesium hydroxide and oxide nanoparticles using a spinning disk reactor | |
Xu et al. | Synthesis of solid, spherical CeO2 particles prepared by the spray hydrolysis reaction method | |
CN104607231B (zh) | 具有三维有序大孔结构的氮化碳光催化剂及其制备方法 | |
RU2189359C2 (ru) | Соединения пятиокиси тантала и пятиокиси ниобия | |
JPH0450105A (ja) | 金属酸化物微粒子の製造方法 | |
CN107055609B (zh) | 一种超高纯3y钇稳定氧化锆的制备方法 | |
CN102600878B (zh) | 一种TiC-TiO2核壳型纳米材料的制备方法 | |
Zhang et al. | Construction of silver tungstate multilevel sphere clusters by controlling the energy distribution on the crystal surface | |
CN101186328A (zh) | 单晶类钙钛矿型氧化物La2CuO4纳微米棒的制备方法 | |
CN106587064A (zh) | 一种功能化氨基‑碳化钛及其制备方法 | |
CN108675336A (zh) | 微波与超声波双外场协同辅助液相合成稀土氧化物纳米球的方法 | |
CN107055597A (zh) | 一种低温下快速制备立方钛酸铋钠粉体的方法 | |
CN103880410B (zh) | 熔盐法合成ZnO-Cr2O3-Fe2O3系湿敏陶瓷烧结粉体方法 | |
RU2404125C2 (ru) | Способ получения нанопорошка диоксида циркония | |
CN108722486A (zh) | 一种窄带氮化碳修饰铁基金属有机骨架复合光催化剂的制备方法 | |
FR3041628B1 (fr) | Procede de preparation de particules minerales synthetiques et composition comprenant des particules minerales synthetiques | |
Sukarsono et al. | Effect of sol concentration, aging and drying process on cerium stabilization zirconium gel produced by external gelation | |
Chu et al. | Synthesis and characterization of novel coral spherical bismuth oxide | |
RU2538255C2 (ru) | Способ получения диоксида урана в форме зерен сферической и неправильной формы | |
CN101708554A (zh) | 一种湿化学合成金空心壳层纳米结构材料的方法 | |
Anikeev | Hydrothermal synthesis of metal oxide nano-and microparticles in supercritical water | |
CN105417590B (zh) | 一种合成钴酸镍尖晶石的方法 | |
CN110902726B (zh) | 微纳结构铁酸锌空心球及其制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201125 |