實驗5　溶膠-凝膠法共沉淀法制備鈦酸鋇粉體

一、實驗目的

① 掌握使用溶膠-凝膠法、直接沉淀法合成納米鈦酸鋇粉體材料。

② 通過化學分析方法測定納米鈦酸鋇中鋇和鈦的含量。

③ 了解使用X射線衍射儀、激光粒度分析儀以及掃描電鏡等測試手段對納米粉體產物進行表征。

二、實驗原理

鈦酸鋇是電子和精細陶瓷高新技術的關鍵性材料，具有高的介電常數，良好的鐵電、壓電、耐壓及絕緣性能，廣泛應用于體積小、容量大的微型電容器、電子計算機記憶元件、壓電陶瓷等，它是電子陶瓷領域應用最廣泛的材料之一。隨著現代科學技術的發展，由傳統固相法合成的鈦酸鋇，因顆粒粒徑粗、均勻性差、燒結活性低，不能滿足高科技應用的要求。現常用的合成方法是液相法（濕化學法），包括溶膠-凝膠法、水熱法、化學沉淀法等，本實驗主要介紹利用溶膠-凝膠法、直接沉淀法合成納米鈦酸鋇粉體材料。

溶膠-凝膠法是指將金屬醇鹽或無機鹽水解成溶膠，然后使溶膠凝膠化，再將凝膠干燥焙燒后得到納米粉體。其基本反應原理如下。

① 溶劑化能電離的前驅體——金屬鹽的金屬陽離子M^z+吸引水分子形成溶劑單元M（H₂O（z為M離子的價數），具有為保持它的配位數而強烈地釋放H⁺的趨勢。

M（H₂OM（H₂O）_n-1（OH）^（z-1）+H⁺

② 水解反應　非電離式分子前驅體，如金屬醇鹽M（OR）_n（n為金屬M的原子價）

與水反應：

M（OR）_n+xH₂OM（OH）x（OR）_n+xROH

反應可持續進行，直至生成M（OH）_n。

③ 縮聚反應　縮聚反應可分為

失水縮聚　M—OH+HO—MM—O—M+H₂O

失醇縮聚　M—OH+HO—MM—O—M+ROH

反應生成物是各種尺寸和結構的溶膠體粒子。

本實驗采用醋酸鋇和鈦酸丁酯為原料的溶膠-凝膠法制備納米鈦酸鋇粉體，并對不同煅燒溫度處理的樣品用X射線衍射法進行結構表征。

溶膠凝膠法的原料價高，高溫煅燒能耗大，且煅燒過程中往往造成晶粒長大和顆粒硬團聚。以四氯化鈦和氯化鋇溶液分別為鈦源和鋇源.以氫氧化鈉溶液為沉淀劑，使用直接沉淀法合成納米鈦酸鋇粉體，可以避免上述缺點，得到球形形貌、顆粒尺寸均勻的納米粉體。該反應的反應方程式為：

TiCl₄+H₂OTiOCl₂+2HCl

TiOCl₂+BaCl₂+4NaOHBaTiO₃+4NaCl+2H₂O

三、實驗設備與材料

（1）設備

電子天平，量杯，磁力攪拌器，研缽，45目篩網，電熱恒溫干燥箱，坩堝，馬弗爐，燒杯，稱量瓶，移液管，500mL錐形瓶，滴定管，快速定量濾紙，501A型恒溫水浴箱，pH計，X射線衍射儀，激光粒度分析儀，掃描電鏡。

（2）試劑

醋酸鋇，冰乙酸，鈦酸丁酯，無水乙醇，四氯化鈦，氯化鋇，氫氧化鈉。

四、實驗步驟與方法

（1）溶膠-凝膠法制備納米BaTiO₃粉體

① 計算配置20mL 0.3mol/L的鈦酸鋇前驅溶液所需的醋酸鋇（1.53g）和鈦酸丁酯（2.04g）的用量，精確到小數點后3位，用電子天平稱量所需鈦酸丁酯的質量，并由此計算出實際所需醋酸鋇的用量，并稱出。

② 用量筒將8mL冰乙酸加入到燒杯中，用刻度吸管注入2mL去離子水，燒杯放在磁力攪拌器上攪拌，直至醋酸鋇完全溶解，再將3mL無水乙醇和稱量瓶里的鈦酸丁酯緩慢倒入燒杯中，繼續攪拌混合均勻，最后向燒杯中加入無水乙醇，使溶液達到20mL，攪拌均勻，利用鹽酸或氨水調節溶液的pH（大約為4），直至形成溶膠。

③ 將形成的溶膠放在60℃的干燥箱中干燥得到凝膠，然后在研缽中磨碎烘干好的凝膠，并過45目的篩子，將篩好的原料放入坩堝中，在馬弗爐中650℃、800℃和1000℃煅燒2h（保留小部分凝膠粉末，以備下面實驗用）。

（2）直接沉淀法制備納米BaTiO₃粉體

① 將TiCl₄溶液在冰水浴中進行水解，得到濃度為2.5mol/L清亮透明的TiOCl₂水溶液。另配置濃度為1.2mol/L的BaCl₂溶液。

② 將TiOCl₂水溶液和BaCl₂溶液按照Ba和Ti的摩爾比為1.07∶1.00的比例進行混合，制得反應液。

③ 再將預熱到一定溫度的反應液與濃度6mol/L的NaOH溶液按一定比例加入到反應器中，同時攪拌并用pH計檢測反應過程，需保持pH不變。反應時間約需要15～20min。

④ 將所得沉淀物分離、洗滌、烘干并研磨，得到納米BaTiO₃粉體。

（3）納米BaTiO₃粉體的物相分析、粒度分布以及形貌表征

分別使用X射線衍射儀、激光粒度分析儀以及掃描電鏡等儀器作為測試手段對納米BaTiO₃粉體進行物相、粒度分布及形貌表征。

五、數據記錄與處理

納米BaTiO₃粉體制備方法如下。

（1）溶膠凝膠法

理論產量 g，實際產量 g，產率： %。 

（2）直接沉淀法

理論產量 g，實際產量 g，產率： %。 

六、思考題

① 溶膠-凝膠法制備納米材料過程中，哪些因素影響產物的大小及其分布？

② 溶膠-凝膠法和共沉淀法制備納米材料的優點和缺點有哪些？

參　考　文　獻

[1]　曲榮君.材料化學實驗.北京：化學工業出版社，2008.

[2]　安富強，郭瑞，高保嬌.化學共沉淀法制備納米鈦酸鋇的研究[J].中北大學學報（自然科學版），2006，27（3）：244-248.

[3]　蘇毅，楊亞玲，胡亮.溶膠-凝膠法制備鈦酸鋇超細粉體的研究[J].化學研究與應用，2002，14（2）：201-204.