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SrTiO3亚微米晶的固相合成及其表征

    发布日期:2014-09-02 |  浏览次数:1203

     

    SrTiO3亚微米晶的固相合成及其表征

    李靖,岳玮,李鸣建

    (徐州工程学院,江苏 221111)

    摘要:本文以Sr(NO3)2和P25 TiO2纳米晶为反应物,采用固相合成法在600℃温度下加热10h得到钛酸锶亚微米晶。通过X-射线粉末衍射、拉曼光谱分析和红外光谱分析测试表明所得产品为立方相SrTiO3,透射电子显微镜分析表明合成产品为150-200nm的颗粒状钛酸锶。

    关键词:SrTiO3;表征;光学性质

         钛酸锶是一种立方钙钛矿型复合氧化物[1-2],是重要的电子功能陶瓷材料,具有介电常数高、介电损耗低、热稳定性好等优点,同时还具有高的介电常数和显著的压电性能,是重要的铁电体,有稳定的电滞性质,广泛应用于电子、机械和陶瓷工业。同时,作为一种功能型材料,钛酸锶具有禁带宽度高(3.4eV)、光催化活性优良等特点,并具有独特的电磁性质和氧化还原催化活性,在光催化分解水解制氢、光催化降解有机污染物和光化学电池等光催化领域也有广泛的应用[1-4]。根据研究,钛酸锶的性质与其存在形貌、尺寸大小,外在及内部结构等都有一定的联系,而钛酸锶的合成方法和条件也决定了钛酸锶的结晶性、形貌和尺寸等。因此原料价廉、操作简单、性能良好的合成方法是我们的研究目标。

         固相合成法[5]是制备钛酸盐功能陶瓷的传统方法。固相反应是指那些有固态物质参加的反应,在固相反应过程中不使用溶剂,因此固相合成具有高选择性、高产率、工艺过程简单等优点,已成为人们制备新型固体材料的主要手段之一,也是当前工业生产仍大量采用此法。本文主要研究SrTiO3亚微米晶的固相合成,旨在探索新的反应合成钛酸锶,并利用X-射线粉末衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、拉曼光谱仪(Raman)和紫外吸收光谱仪等多种现代分析技术对所得的产品的结构、组成、形状、大小和性质等进行表征,而且对SrTiO3合成的机理进行了初步探讨。

    1 实验部分

    1.1      实验所需主要试剂

          硝酸锶(Sr(NO3)2,AR,国药集团化学试剂有限公司);P25 TiO2(德国)

          硝酸(HNO3,AR,国药集团化学试剂有限公司);

    1.2产品的制备

          称取5 mmol Sr(NO3)2和4 mmol P25 TiO2放入玛瑙研钵中研磨10分钟,将充分混合均匀后的反应物转入刚玉坩埚中;然后将装有上述混合物的刚玉坩埚放入马弗炉,从室温分别加热到600°C、650°C 、700°C,持续加热10个小时后关闭电源,自然冷却到室温。将得到的白色产品用1mol/L硝酸浸泡10h,用去离子水洗涤至中性,最后在100°C下干燥3h,得到白色粉末,研磨备用。

    1.3 产品的表征

         产品的物相测定采用德国Bruker AXS D8 ADVANCE X–射线粉末衍射仪(XRD,Cu Kα辐射,λ = 1.5406 Å,40 kV,200 mA);产品的形貌和尺寸观察采用荷兰Philips公司Tecnai12型透射电子显微镜(TEM,120 kV);产品的拉曼光谱采用英国Renishaw Invia 拉曼光谱仪在室温下进行测定,激发波长532 nm,功率2 mw;产品的紫外-可见漫反射光谱测试采用美国瓦里安公司Cary–5000紫外-可见-近红外吸收光谱仪进行测试;产品的红外光谱采用德国Bruker Tensor 27型傅立叶变换红外光谱仪KBr压片进行测定.

    2 结果与讨论

    2.1  SrTiO3的XRD分析

    图1 600℃反应温度下所制SrTiO3的XRD图

    Fig. 1 XRD pattern of as-synthesized SrTiO3 at 600°C

          图1给出了Sr(NO3)2和P25 TiO2摩尔比为1: 0.8组成的混合物,在600°C反应10小时,所得产物经1mol/L HNO3处理后洗涤后的XRD图。通过与标准卡(JCPDS NO.01-073-0661)相对照可知,洗涤后的产物为纯立方相的SrTiO3。从图中可以看出所得产物的X-射线衍射峰强而尖锐,表明600°C反应10小时得到的SrTiO3结晶性很好。根据图1中衍射峰所计算的晶胞参数a = b = c = 3.905 Å。

    2.2  SrTiO3的FESEM分析

          图2给出了所得SrTiO3的TEM图像。观察图片可以看出合成产品由颗粒组成,通过测量可知合成产品的尺寸大小约为100-250 nm。

                                  

       图2  600℃反应温度下所制SrTiO3的TEM图

    Fig. 2 TEM image of as-synthesized SrTiO3 at 600°C

    2.3  SrTiO3的Raman分析

     

    图3  600℃反应温度下所制SrTiO3的Raman图

    Fig. 3 Raman spectrum of as-synthesized SrTiO3 at 600°C

         图3给出了所制SrTiO3粉末的拉曼光谱。可以看出:所得产品的拉曼图谱上在289、539、638和800cm-1左右出现了峰,这和以前报道的立方相SrTiO3的拉曼光谱是相一致的[5]

    2.4  SrTiO3的FTIR分析

          图4给出了所制SrTiO3产物的红外光谱图。在400-1000cm-1范围内,出现了两个明显的峰,它们分别对应于TiO6八面体弯曲和伸缩振动[5]。在红外光谱中,没有检测到我们所制得的产品存在如TiO2和SrCO3等可能的杂质,这表明产物只含有SrTiO3,这和XRD的表征结论是一致的。

    图4 600℃反应温度下所制SrTiO3的红外谱图

    Fig. 4 UV-vis diffuse reflectance spectrum of as-synthesized SrTiO3

         本文采用低温固相法合成钛酸锶亚微米晶,此化学工工艺简单,反应时间短,且产品纯度高,能耗低,更兼反应不使用溶剂,对环境污染小,适用于大规模生产,从而为广泛使用钛酸锶这种优质的功能性陶瓷材料奠定了基础。

    参考文献:

    [1] U. Sulaeman, S. Yin, T. Sato, Visible light photocatalytic activity induced by the carboxyl group chemically bonded on the surface of SrTiO3, Appl. Catal. B 102 (2011) 286-290.

    [2] Yoshio Nosaka, Shinichiro Takahashi, Yasufumi Mitani, Xiaoqing Qiu, Masahiro Miyauchi, Reaction mechanism of visible-light responsive Cu(II)-grafted Mo-doped SrTiO3 photocatalyst studied by means of ESR spectroscopy and chemiluminescence photometry, Appl. Catal. B 111–112 (2012) 636-640.

    [3] X. Liu, H. Bai, Liquid–solid reaction synthesis of SrTiO3 submicron-sized particles, Mater. Chem. Phys. 127 (2011) 21-23.

    [4] Y. Hu, O.K. Tan, W. Cao, W. Zhu, A low temperature nano-structured SrTiO3 thick film oxygen gas sensor, Ceram. Int. 30 (2004) 1819-1822.

    [5] 王根林,功能陶瓷材料钛酸盐亚微米晶的合成与表征[D], 扬州大学, 2008, 6.

    [6] Y.C. Zhang J. Li, M. Zhang, D.D. Dionysiou, Size-tunable hydrothermal synthesis of SnS2 nanocrystals with high performance in visible light-driven photocatalytic reduction of aqueous Cr(VI), Environ. Sci. Technol. 45 (2011) 9324-9331.

     

     

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