一種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi₂Zr₂O₇納米材料的方法

一種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi₂Zr₂O₇納米材料的方法
【專利摘要】本發明公開了一種采用非水解溶膠?凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，屬于材料制備領域。包括以下步驟：1)取Bi(NO3)3·5H2O和Zr(NO3)4·5H2O，并加無水乙醇溶解，配成濃度為0.05～0.025mol/L的前驅液A；2)將前驅液A充分攪拌反應至混合均勻，制得混合液B；3)將混合液B于80～120℃下，水熱反應5～12h，制得濕凝膠C；4)將濕凝膠C干燥后，得到干凝膠粉，將該干凝膠粉充分研磨，制得粉體D；5)將粉體D熱處理，制得納米尺寸的Bi2Zr2O7納米粉體。該方法能夠制備出尺寸較小的Bi2Zr2O7納米粉體，產物粒徑小，結晶度好。本發明方法工藝簡單，操作方便，周期短，制備成本較低。
【專利說明】
_種采用非水解溶膠-凝膠法制備B I 2Ζ「2θ7納米材料的方法
技術領域
[0001]本發明屬于材料制備領域，具體涉及一種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法。
【背景技術】
[0002]鋯酸鹽因為具有熱導率低，熱膨脹系數大，耐高溫性能強，抗高溫燒結及高溫穩定性強的性能而被用作高溫材料，引起了全世界科研人員和工程技術人員的重視，具有廣闊的應用前景[王鈾，王亮.新型鋯酸鹽基熱障涂層材料的研究進展[J].中國表面工程，2009，22(6):8-17.]。例如稀土鋯酸鹽材料被廣泛應用于耐火材料、熱障涂層材料、高溫固體電解質材料、核廢料中固定錒系元素的主體和光催化等諸多領域[劉占國，歐陽家虎，夏校良，等.新型稀土鋯酸鹽材料研究進展[J].中國材料進展，2011，30( I): 32-40.]。
[0003]鋯酸鉍(Bi2Zr2O7)屬立方面心晶系，屬Fd3m空間群結構，屬燒綠石型復合氧化物。鋯酸鉍因為其具有較寬的禁帶寬度(2.59-2.9eV)，是一種具有發展潛力的可見光響應型光催化劑。
[0004]目前，對于鋯酸鉍(Bi2Zr2O7)的研究還處于一種初級階段，已經報道的制備方法為沉淀鍛燒法。如Deyong Wu 等[D.Wu，T.He，J.Xia, Y.Tan.Preparat1n and photocatalyticproperties of Β?2ΖΓ2θγ photocatalyst[J].Material Letters，156(2015):195-197.]以Bi(NO3)3.5H2(^PZr(N03)4.5H20為原料，第一階段采用水熱法，制得前驅體沉淀物。經洗滌、干燥、研磨，在600 °C條件下煅燒4小時，制得Bi2Zr207目標產物。以及S.L.Sorokina等[S.L.Sorokina,A.ff.Sleight.NEW PHASES IN THE ZrO2-Bi2O3 AND HfO2-Bi2O3 SYSTEMS[J],Materials Research Bulletin，1998，33(7): 1077-1081.]以Bi (NO3)3 和 Zr(NO3)4 為原料，用濃硝酸溶解，氨水調pH到中性，攪拌，制得沉淀，將沉淀經洗滌、在95°C下干燥10h、研磨，燒結10h，制得目標產物。以上方法均存在制備處理過程復雜，耗能高，周期長等問題。

【發明內容】

[0005]為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，該方法制備過程簡單，周期短，耗能低。
[0006]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0007]—種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，包括以下步驟:
[0008]I)按Bi (NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5Η20= 1:1 的摩爾比，取Bi (NO3 )3.5Η20 和 Zr(NO3)4.5Η20，并加無水乙醇溶解，配成Bi3+濃度為0.025?0.05mol/L的前驅液Α;
[0009]2)將前驅液A充分攪拌反應至混合均勻，制得混合液B ；
[0010]3)將混合液B于80?120 °C下，水熱反應5?12h，制得濕凝膠C ；
[0011 ] 4)將濕凝膠C干燥后，得到干凝膠粉，將該干凝膠粉充分研磨，制得粉體D;
[0012]5)將粉體D于300?800°C下，熱處理3?10h，制得納米尺寸的Bi2Zr2O7納米粉體。
[0013]步驟2)是將前驅液A在室溫下，磁力攪拌反應I?5h。
[0014]步驟3)是將混合液B置于聚四氟乙烯內襯的水熱釜中，然后將水熱釜置于恒溫干燥箱中進行水熱反應。
[0015]控制水熱釜的填充比為20%?40%。
[0016]步驟4)所述干燥是將濕凝膠C置于恒溫干燥箱中，于60°C?80°C下進行干燥。
[0017]步驟4)所述的充分研磨是將干凝膠粉置于瑪瑙研缽中研磨5?20min。
[0018]步驟5)是將粉體D放入坩禍中，然后將坩禍置于馬弗爐中進行熱處理。
[0019]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0020]本發明公開的采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，優勢在于，該方法不經過金屬醇鹽水解過程，直接由前驅體縮聚為凝膠。使得該方法不僅工藝操作過程簡單、易實現，而且在溶膠-凝膠過程中更容易實現原子級均勻混合，能夠有效促進材料的低溫合成。該方法能夠制備出尺寸較小的Bi 2Ζ?Ο7納米粉體，產物粒徑小，結晶度好。本發明方法工藝簡單，操作方便，周期短，制備成本較低。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明在實施例1的條件下制得的Bi2Zr2O7納米材料的X射線衍射(XRD)圖譜；
[0022]圖2為本發明在實施例1條件下所制備的Bi2Zr2O7納米材料的掃描電鏡(SEM)照片；其中，(a)為5萬放大倍率下Bi2Zr2O7納米材料的SEM圖；(b)為2萬放大倍率下Bi2Zr2O7納米材料的SEM圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。
[0024]實施例1
[0025]—種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，包括以下步驟:
[0026]I)按摩爾比例為Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1稱取分析純的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于燒杯中，溶于一定量的無水乙醇中配制成濃度范圍在0.025mol/L的前驅液A。
[0027]2)將所得前驅液A置于磁力攪拌器上，在室溫下攪拌2h，充分混合均勻，獲得混合液B ο
[0028]3)將混合液B置于聚四氟乙烯內襯的水熱釜中，控制填充比為20%，將反應釜放入恒溫干燥箱中，控制溫度范圍在100°c，反應8h，獲得濕凝膠C。
[0029]4)將所得的濕凝膠C置于恒溫干燥箱中，控制溫度在60°C的范圍進行干燥。將干燥后獲得的干凝膠粉置于瑪瑙研缽中充分研磨lOmin，獲得粉體D。
[0030]5)將獲得的粉體D放入坩禍，置于馬弗爐中，于600 °C溫度下，熱處理4h，最終即可得到納米尺寸的Bi2Zr207粉體。
[0031]參見圖1，從圖1中可以看出，本發明在低溫條件下可以制備出純相的Bi2Zr207。
[0032]參見圖2，其中，(a)為5萬放大倍率下Bi2Zr2O7納米材料的SEM圖；(b)為2萬放大倍率下Bi2Zr2O7納米材料的SEM圖。從圖2可以看出，采用本發明方法制備的Bi2Zr2O7顆粒尺寸最小在30?50nm之間。
[0033]實施例2
[0034]一種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，包括以下步驟:
[0035]I)按摩爾比例為Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1稱取分析純的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于燒杯中，溶于一定量的無水乙醇中配制成濃度范圍在0.025mol/L的前驅液A。
[0036]2)將所得前驅液A置于磁力攪拌器上，在室溫下攪拌lh，充分混合均勻，獲得混合液B ο
[0037]3)將混合液B置于聚四氟乙烯內襯的水熱釜中，控制填充比為20%，將反應釜放入恒溫干燥箱中，控制溫度范圍在80°C，反應12h，獲得濕凝膠C。
[0038]4)將所得的濕凝膠C置于恒溫干燥箱中，控制溫度在80°C的范圍進行干燥。將干燥后獲得的干凝膠粉置于瑪瑙研缽中充分研磨15min，獲得粉體D。
[0039]5)將獲得的粉體D放入坩禍，置于馬弗爐中，于800°C溫度下，熱處理3h，最終即可得到納米尺寸的Bi2Zr207粉體。
[0040]實施例3
[0041]—種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，包括以下步驟:
[0042]I)按摩爾比例為Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1稱取分析純的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于燒杯中，溶于一定量的無水乙醇中配制成濃度范圍在0.05mol/L的前驅液A。
[0043]2)將所得前驅液A置于磁力攪拌器上，在室溫下攪拌4h，充分混合均勻，獲得混合液B ο
[0044]3)將混合液B置于聚四氟乙烯內襯的水熱釜中，控制填充比為30%，將反應釜放入恒溫干燥箱中，控制溫度范圍在90°C，反應10h，獲得濕凝膠C。
[0045]4)將所得的濕凝膠C置于恒溫干燥箱中，控制溫度在60°C的范圍進行干燥。將干燥后獲得的干凝膠粉置于瑪瑙研缽中充分研磨5min，獲得粉體D。
[0046]5)將獲得的粉體D放入坩禍，置于馬弗爐中，于500°C溫度下，熱處理6h，最終即可得到納米尺寸的Bi2Zr207粉體。
[0047]實施例4
[0048]一種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，包括以下步驟:
[0049]I)按摩爾比例為Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1稱取分析純的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于燒杯中，溶于一定量的無水乙醇中配制成濃度范圍在0.025mol/L的前驅液A。
[0050]2)將所得前驅液A置于磁力攪拌器上，在室溫下攪拌3h，充分混合均勻，獲得混合液B ο
[0051]3)將混合液B置于聚四氟乙烯內襯的水熱釜中，控制填充比為20%，將反應釜放入恒溫干燥箱中，控制溫度范圍在110°c，反應7h，獲得濕凝膠C。
[0052]4)將所得的濕凝膠C置于恒溫干燥箱中，控制溫度在80°C的范圍進行干燥。將干燥后獲得的干凝膠粉置于瑪瑙研缽中充分研磨20min，獲得粉體D。
[0053]5)將獲得的粉體D放入坩禍，置于馬弗爐中，于300°C溫度下，熱處理1h，最終即可得到納米尺寸的Bi2Zr207粉體。
[0054]實施例5
[0055]一種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，包括以下步驟:
[0056]I)按摩爾比例為Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1稱取分析純的Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20于燒杯中，溶于一定量的無水乙醇中配制成濃度范圍在0.05mol/L的前驅液A。
[0057]2)將所得前驅液A置于磁力攪拌器上，在室溫下攪拌5h，充分混合均勻，獲得混合液B ο
[0058]3)將混合液B置于聚四氟乙烯內襯的水熱釜中，控制填充比為40%，將反應釜放入恒溫干燥箱中，控制溫度范圍在120°C，反應5h，獲得濕凝膠C。
[0059]4)將所得的濕凝膠C置于恒溫干燥箱中，控制溫度在70°C的范圍進行干燥。將干燥后獲得的干凝膠粉置于瑪瑙研缽中充分研磨15min，獲得粉體D。
[0060]5)將獲得的粉體D放入坩禍，置于馬弗爐中，于700°C溫度下，熱處理4h，最終即可得到納米尺寸的Bi2Zr207粉體。
[0061]綜上所述，本發明提供的非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，優勢在于:采用非水解溶膠-凝膠法不經過金屬醇鹽水解過程，直接由前驅體縮聚為凝膠，該方法不僅工藝簡單，而且在溶膠-凝膠過程中更易實現原子級均勻混合，有利于促進材料的低溫合成O
【主權項】
1.一種采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)按Bi(NO3)3.5H20:Zr(N03)4.5H20= 1:1的摩爾比，取Bi(NO3)3.5H20和Zr(NO3)4.5H20，并加無水乙醇溶解，配成Bi3+濃度為0.025?0.05mol/L的前驅液A; 2)將前驅液A充分攪拌反應至混合均勻，制得混合液B; 3)將混合液B于80?120°C下，水熱反應5?12h，制得濕凝膠C ； 4)將濕凝膠C干燥后，得到干凝膠粉，將該干凝膠粉充分研磨，制得粉體D; 5)將粉體D于300?800°C下，熱處理3?10h，制得納米尺寸的Bi2Zr2O7納米粉體。2.根據權利要求1所述的采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，其特征在于，步驟2)是將前驅液A在室溫下，磁力攪拌反應I?5h。3.根據權利要求1所述的采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，其特征在于，步驟3)是將混合液B置于聚四氟乙烯內襯的水熱釜中，然后將水熱釜置于恒溫干燥箱中進行水熱反應。4.根據權利要求3所述的采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，其特征在于，控制水熱釜的填充比為20%?40%。5.根據權利要求1所述的采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，其特征在于，步驟4)所述干燥是將濕凝膠C置于恒溫干燥箱中，于60°C?80°C下進行干燥。6.根據權利要求1所述的采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，其特征在于，步驟4)所述的充分研磨是將干凝膠粉置于瑪瑙研缽中研磨5?20min。7.根據權利要求1所述的采用非水解溶膠-凝膠法制備Bi2Zr2O7納米材料的方法，其特征在于，步驟5)是將粉體D放入坩禍中，然后將坩禍置于馬弗爐中進行熱處理。
【文檔編號】C01G29/00GK105905944SQ201610247802
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月20日
【發明人】曹麗云, 羅藝佳, 周磊, 黃劍鋒, 吳建鵬, 閆婧文, 白喆
【申請人】陜西科技大學