[發明專利]一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210262564.7
• 申請日: 2022-03-17
• 公開（公告）號: CN114906875A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發明（設計）人: 李立宏;向鐘元;宋延林
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C01G33/00
• 分類號: C01G33/00;C01G35/00;B82Y40/00
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本發明涉及無機材料制備技術領域，公開了一種一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料及其制備方法。該一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料為棒狀，其結構表達式為ABO₃。制備方法包括：(1)將五氧化二鈮、第一堿金屬鹽或堿土金屬鹽、第一熔鹽進行混合以及焙燒處理，得到一維非鈣鈦礦型鈮酸鹽；（2）將所述非鈣鈦礦型鈮酸鹽與酸通過離子交換反應得到含水合氫離子的一維非鈣鈦礦型鈮酸鹽；（3）將所述含水合氫離子的一維非鈣鈦礦型鈮酸鹽經過熱分解得到一維棒狀Nb₂O₅；（4）將所述一維棒狀Nb₂O₅作為模板與可選的第二過渡金屬氧化物、第二堿金屬鹽或堿土金屬碳酸鹽、第二熔鹽混合后進行焙燒處理，得到一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料。本發明的制備方法具有綠色環保，流程簡單，后處理溫度低的特點，并且可以獲得具有優異性能的一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料。

技術領域

本發明涉及無機材料制備技術領域，具體涉及一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料及其制備方法。

背景技術

全球經濟高速發展的當今時代，能源結構和供應狀況迎來了前所未有的挑戰。作為新型的能量收集方式，納米發電機能夠有效地將功率密度低的機械能等轉換為電能。與傳統的發電機相比，納米發電機具有質量輕、結構簡單、環境適應性強等優點，且能夠在多種環境中構筑自供電電源，還在可穿戴器件和便攜電子設備傳感器等應用領域展現了良好的應用潛力。壓電納米發電機是基于壓電效應的原理制備的納米發電機，壓電材料是決定其性能的核心。和各項同性的壓電材料相比，各向異性的壓電材料，如納米線和納米片，表現出了更優異的性能。此外，一維納米材料被認為是未來應用于電子、光電、電機械、傳感等領域納米器件的基本構筑單元，因此對一維壓電材料的制備和研究就顯得十分必要。

由于人們對環境保護的重視，在壓電陶瓷領域，人們希望用無鉛壓電陶瓷來取代目前廣泛使用的鋯鈦酸鉛（PZT）陶瓷。其中，鈮酸鹽基壓電陶瓷因其高溫鐵電壓電性能、非線性光學性能和廣泛的相變、性能組合最有望成為取代PZT的首選。并且據報道已合成的具有取向性的鈮酸鹽基陶瓷的壓電性能可與普通的商用PZT相比擬。目前，一維ABO₃型鈣鈦礦的合成方法有溶劑熱法、水熱法、重沉淀法、溶膠-凝膠法、熔鹽法，但目前的合成方法無法同時獲得精確控制A，B組分的一維壓電材料。鈮酸鹽作為最有希望替代PZT的材料，在壓電器件領域也具有重要的價值。由于一維壓電材料優異的壓電性質，基于一維微納結構的壓力傳感器件（如KNbO₃、NaNbO₃、(Na,K)NbO₃）在電子應用領域中具備很強的競爭力，并且在傳感、可穿戴、生物化學、自發電器件以及集成電路等研究領域具有很好的應用前景。然而，簡單的一維鈮酸鹽材料，性能與多元材料還有很大差距，為了提高材料的壓電性能和壓力敏感性，開發一維多元鈣鈦礦型鈮酸鹽材料具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術制備的壓電材料的壓電性能和壓力敏感性差的缺點以及無法大規模獲得鈣鈦礦材料的一維形貌的缺陷問題，提供一種一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料，該壓電材料具有綠色環保、制備過程簡單、易于操作、產物可控的優點。

為了實現上述目的，本發明的一種一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料為棒狀，其結構表達式為ABO₃。

所述A和B分別為摻雜的金屬，且以所述一維金屬摻雜的鈣鈦礦型鈮酸鹽壓電材料的總摩爾量為基準，金屬A的總摩爾量、金屬B的總摩爾量與壓電材料的總摩爾量比為1：1：1。

所述金屬A為Bi、Li、Na、K、Ca、Sr、Ba、Sr、Cs和Rb中的一種或多種。

優選地，所述金屬A為Li、Na、K、Ca、Sr、 Ba、Sr、Cs和Rb中的一種或多種。

所述金屬B為Nb(鈮)、Ti、Y(釔)、Sc(鈧)、Zr(鋯)、Hf (鉿)、V(釩)、Ta(鉭)、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Zn和Sb(銻)中的一種或多種。