[發明專利]一種鈣鈦礦結構鈦酸鉛單晶納米片的制備方法

有效

• 申請號: 201310225414.X
• 申請日: 2013-06-07
• 公開（公告）號: CN103276448A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 徐剛;鄧世琪;黃曉強;李峰;任召輝;沈鴿;韓高榮
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C30B29/32
• 分類號: C30B29/32;C30B7/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及一種鈣鈦礦結構鈦酸鉛單晶納米片結構的制備方法，屬于無機非金屬材料技術領域。

背景技術

納米材料和其相對應塊體材料相比，表現出許多特異的性能，并且科學技術的進步和電子器件的小型化，對材料的納米化也提出了越來越多的要求。因此，納米結構材料的合成和性能研究引起了人們越來越多的興趣和重視。

鈦酸鉛是一種典型的鈣鈦礦結構鐵電材料，其鐵電相變的居里溫度為490^oC。由于具有優異的鐵電、壓電、介電性能，鈦酸鉛在非揮發性鐵電存儲器、壓電傳感器、熱釋電敏感器和高介電電容器等微電子器件的制備上有著廣泛的應用。通常，鈣鈦礦結構鈦酸鉛是利用固相反應法制備的。但是利用固相法制備的鈦酸鉛不僅團聚嚴重，化學組成因為鉛在高溫煅燒過程中的揮發產生偏離，而且難以控制合成的鈦酸鉛顆粒的形狀。相對于固相反應法，溶膠-凝膠法、共沉淀法、水熱法、熔鹽法等濕化學方法或半濕化學方法，可以在較低的溫度下實現保持鈦酸鉛化學計量的合成。其中水熱法和熔鹽法是在溶液中生長出鈦酸鉛晶體顆粒，因此可以制備出具有規則刻面的鈣鈦礦結構鈦酸鉛納米晶。此外，利用模板法可以通過模板的限制作用來進一步制備出各種形狀、各種陣列的晶體結構，

具有鐵電壓電性能的鈣鈦礦結構氧化物一般為四方相或菱方相，由于結構各向異性較小，難以實現取向生長，因此不易實現二維納米結構的制備。

發明內容

本發明的目的在于提供一種工藝簡單，過程易于控制的鈣鈦礦結構鈦酸鉛單晶納米片的制備方法。

本發明的鈣鈦礦結構鈦酸鉛單晶納米片的二維尺寸介于0.2~5μm，厚度介于5~50nm，其制備包括以下步驟：

1）計量稱取鈦酸四丁酯溶于無水乙醇溶劑中，形成濃度為0.05~0.2mol/L的鈦酸四丁酯無水乙醇溶液，然后將其滴入去離子水中水解得到鈦的羥基氧化物沉淀，用去離子水清洗；

2）將步驟1）所制備的鈦的羥基氧化物沉淀分散于氫氧化鉀溶液中，形成KOH濃度為3~8mol/L，Ti⁴⁺離子濃度為0.125~0.25mol/L的懸浮液；

3）將步驟2）所制備的懸浮液攪拌至少10分鐘后，轉移到水熱反應釜中，用去離子水調節使其體積占反應釜容積的2/3~4/5，密閉，置于180℃~240℃保溫4~16小時熱處理，然后，在空氣中冷卻，降至室溫，取出反應產物，過濾，依次用去離子水、無水乙醇清洗，60~100℃烘干，得到鈦酸鉀納米線粉體，上述步驟2）所述的KOH摩爾濃度和Ti⁴⁺離子摩爾濃度的體積基數為所有引入反應釜內膽中的物料體積；

4）計量稱取硝酸鉛溶解于去離子水中，形成濃度為0.126~0.248mol/L的硝酸鉛溶液；

5）攪拌下將步驟3）所得到的鈦酸鉀納米線粉體分散于步驟4）所制備的硝酸鉛溶液中，再加入KOH，用去離子水調節Ti⁴⁺離子濃度為0.12~0.225mol/L，Pb/Ti比為1.05:1.0~1.1:1.0，KOH濃度為10~12mol/L，充分攪拌至少2h后，得到用于水熱反應的懸浮液；?

6）將步驟5）所得到的懸浮液轉移到水熱反應釜中，用去離子水調節使其體積占反應釜容積的2/3~4/5，密閉，置于180℃~240℃下保溫至少8小時熱處理，然后，在空氣中冷卻，降至室溫，取出反應產物，過濾，依次用去離子水、無水乙醇清洗，60℃~100℃烘干，得到鈣鈦礦結構鈦酸鉛單晶納米片，上述步驟4）所述的硝酸鉛溶液的摩爾濃度以及步驟5）所述的KOH摩爾濃度和Ti⁴⁺離子摩爾濃度的體積基數為所有引入反應釜內膽中的物料體積。

上述的鈦酸四丁酯、硝酸鉛、氫氧化鉀、無水乙醇和去離子水的純度均不低于化學純。

本發明在高濃度KOH的作用下，通過兩步水熱法首次得到二維尺寸介于0.2~5μm，厚度介于5~50nm的超薄鈣鈦礦結構鈦酸鉛單晶納米片。本發明引入鈦酸鹽納米結構作為軟模板，一方面作為鈦源，另一方面作為模板來調控鈣鈦礦鈦酸鉛鐵電氧化物納米結構，制備工藝過程簡單，易于控制，無污染，成本低，易于規模化生產。

附圖說明

圖1是鈦酸鉀K₂Ti₆O₁₃的XRD圖譜；

圖2是鈦酸鉀K₂Ti₆O₁₃的掃描電鏡（SEM）照片；

圖3是鈣鈦礦結構鈦酸鉛單晶納米片的XRD圖譜；