喻佑華 夏 萌 吳偉杰
(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料與工程學(xué)院,江西景德鎮(zhèn) 333001)
純六方相鈦酸鋅粉體的制備與表征
喻佑華 夏 萌 吳偉杰
(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料與工程學(xué)院,江西景德鎮(zhèn) 333001)
以鈦酸四丁酯、冰醋酸、鹽酸、六水合硝酸鋅為主要原料,采用溶膠-凝膠法,以去離子水作為溶劑制備出具有鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的純六方相ZnTiO3粉體,并利用TG/DTA,XRD,F(xiàn)E-SEM和FT-IR對(duì)其組織結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:前驅(qū)體干凝膠在550℃熱處理4h可制得純六方相ZnTiO3,且六方相穩(wěn)定存在的溫度范圍相對(duì)較寬,從550℃到900℃。當(dāng)溫度升高到950℃后,六方相ZnTiO3將分解為立方相Zn2TiO4和金紅石相TiO2。在550℃熱處理制得的ZnTiO3粉體粒徑約為50nm。
溶膠-凝膠;低溫?zé)Y(jié);納米;ZnTiO3
鈦酸鋅是一種白色粉體,由于其在高溫脫硫吸附劑[1],微波介質(zhì)陶瓷[2-4],白色顏料[5],NO,CO 探測(cè)傳感器[6]和光致發(fā)光材料[7-9]等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力,近年來受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。通常認(rèn)為在ZnO-TiO2體系中存在三相:即偏鈦酸鋅ZnTiO3,正鈦酸鋅 Zn2TiO4和三鈦酸鋅 Zn2Ti3O8[10~12]。其中,Zn2TiO4是面心立方晶體結(jié)構(gòu),而ZnTiO3通常是六方菱形晶體結(jié)構(gòu),并且在溫度高于945℃時(shí)會(huì)分解成正鈦酸鋅Zn2TiO4和金紅石相TiO2[13]。處于亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的Zn2Ti3O8是簡(jiǎn)單立方晶體結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是低溫ZnTiO3的結(jié)構(gòu)形式,存在于820℃以下[14]。
立方相Zn2TiO4可以比較容易的通過傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制得,但是ZnTiO3在溫度高于945℃時(shí)會(huì)分解成Zn2TiO4和TiO2,所以通過固相法混合物質(zhì)的量之比為1∶1的ZnO和TiO2制備純相ZnTiO3較難實(shí)現(xiàn)[10,15]。由于固相法合成ZnTiO3的諸多困難,加上成品的顆粒過大,化學(xué)均一性不好,因此溶液提供的良好均一性就能彌補(bǔ)這方面的不足。近年來,溶膠-凝膠法在陶瓷、玻璃、纖維和薄膜的制備中被廣泛使用,并顯示出優(yōu)于傳統(tǒng)固相法的許多優(yōu)點(diǎn),包括成分控制準(zhǔn)確,熱處理溫度低以及液相中分子水平上的均勻混合等。在制備納米ZnTiO3粉體方面,溶膠-凝膠法也備受青睞,但是絕大多數(shù)的研究者都會(huì)用到有機(jī)物作為溶劑(比如乙醇,乙二醇等),鮮有報(bào)道稱使用無機(jī)溶劑(比如去離子水)合成鈦酸鋅粉體。
本文采用溶膠-凝膠法,以去離子水作為溶劑制備出純六方相ZnTiO3粉體,并對(duì)其組織結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了表征。
實(shí)驗(yàn)使用的原料均為分析純?cè)噭謩e為:鈦酸四丁酯 Ti(OC4H9)4,冰醋酸 CH3COOH,鹽酸 HCl,六水合硝酸鋅Zn(NO3)2·6H2O等,實(shí)驗(yàn)步驟如圖1。首先,按摩爾比CH3COOH/Ti(OC4H9)4=3.6∶1將適量冰醋酸加入到鈦酸四丁酯中,室溫下攪拌均勻,作為A液。將一定量鹽酸稀釋到1mol/L,鹽酸和水的體積比為1∶10.9,作為B液。然后將A液緩緩滴加到B液中,邊滴加邊攪拌,鈦酸四丁酯與鹽酸摩爾比為1.4∶1,記為C液。最后,將六水合硝酸鋅溶液按Zn/Ti=1∶1的摩爾比加入到C混合液中,繼續(xù)在60℃加熱攪拌直到形成淡黃色半透明清液。將清液置于100℃烘箱內(nèi)干燥48h得到前驅(qū)體干凝膠,其中一部分用于熱分析,另一部分在不同溫度下煅燒,高溫保溫時(shí)間均為4h。
前驅(qū)體干凝膠的熱分析(TG/DTA)采用NETZSCH STA 449C熱分析儀進(jìn)行,測(cè)試條件:空氣氣氛,溫度范圍:25~1000℃,升溫速率:10℃/min;粉體相結(jié)構(gòu)(XRD)采用Bruker AXS D8Advance X射線衍射儀分析,靶材為Cu靶,掃描速率1.0°/min,步長(zhǎng)0.02°;顯微結(jié)構(gòu)(FE-SEM)采用JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡分析;紅外振動(dòng)分析(FT-IR)采用NICOLET 5700傅立葉變換紅外光譜儀表征,測(cè)量范圍:400~4000cm-1。
2.1 熱分析
圖2是將前驅(qū)體干凝膠進(jìn)行熱重-差熱分析(TG/DTA)得到的實(shí)驗(yàn)圖譜。從圖中可以看出,前驅(qū)體的熱重變化可以分為3個(gè)階段:第一個(gè)階段從室溫到300℃,失重率14.72%。由于吸附水的揮發(fā)一般起始于80℃,而醋酸的揮發(fā)溫度在190℃左右,所以這部分失重可以歸因于水和有機(jī)酸的揮發(fā),對(duì)應(yīng)的在DTA曲線上75~300℃之間出現(xiàn)了一個(gè)明顯的吸熱峰。320~400℃是失重的第二階段,失重率18.21%,這主要是由于Ti-OH的脫羥基作用形成TiO2引起的,在DTA曲線上360℃左右對(duì)應(yīng)著一個(gè)非常尖銳的吸熱峰。最后一個(gè)失重階段發(fā)生在430~570℃,這是NO3-的熱分解和六方相ZnTiO3的結(jié)晶作用共同導(dǎo)致的,失重率11.64%。在600℃以上,基本觀察不到樣品的失重現(xiàn)象,但在950℃左右出現(xiàn)了一個(gè)吸熱峰,這是由于六方相ZnTiO3的分解所致,與文獻(xiàn)報(bào)道相符[13]。
2.2 物相分析
圖 3 為前驅(qū)體分別在 500、550、600、650、700、750、800、850、900 和 950℃煅燒,高溫保溫 4h 得到的粉體XRD圖譜。從圖中可以看出,樣品在500℃煅燒后,六方相ZnTiO3開始形成,但是衍射峰強(qiáng)度不高,且樣品中還有ZnO相殘留。這說明ZnTiO3的結(jié)晶作用正在進(jìn)行,還沒完全結(jié)束。因?yàn)榍膀?qū)體首先要經(jīng)過Ti-OH的脫羥基作用和Zn(NO3)2的分解分別產(chǎn)生TiO2和ZnO,然后TiO2和ZnO在一定溫度下通過化學(xué)反應(yīng)才能生成ZnTiO3。當(dāng)溫度提高到550℃之后,ZnTiO3成為樣品中唯一晶相,經(jīng)JCPDF卡對(duì)照確定為鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的六方相ZnTiO3,晶格常數(shù)為:a=5.079?,c=13.927?。這與 DTA 曲線中 560℃左右出現(xiàn)的吸熱峰相對(duì)應(yīng)。隨著煅燒溫度進(jìn)一步升高,樣品中除了主晶相的衍射峰強(qiáng)度更大之外,沒有其他任何變化,這說明晶粒發(fā)育逐漸趨于完整,熱分析在這個(gè)階段也幾乎觀察不到任何變化。溫度升高到950℃時(shí),樣品中出現(xiàn)了立方相Zn2TiO4和金紅石相TiO2,這是六方相ZnTiO3分解所致,對(duì)應(yīng)于DTA曲線上950℃左右的吸熱峰。ZnTiO3的分解可能是由于高溫下氧化鋅向揮發(fā)性鋅的轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致了鈦酸鋅中鋅的缺乏,繼而產(chǎn)生亞化學(xué)計(jì)量。
從XRD圖譜還可以看出,六方相ZnTiO3穩(wěn)定存在的溫度可以從550℃到900℃,這一溫度范圍與目前文獻(xiàn)中報(bào)道的比較相對(duì)更寬。
2.3 形貌分析
圖4為前軀體分別在550℃和650℃煅燒4h后的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)照片。圖4(a)為樣品在550℃煅燒4h后的電鏡照片,可以看出粉體顆粒大小比較均勻,但形狀不規(guī)則,顆粒尺寸在50nm左右;圖4(b)是樣品在650℃煅燒4h后的電鏡照片,與圖4(a)相比,圖4(b)中的顆粒尺寸明顯增大,約為100nm,說明隨著煅燒溫度的提高,晶粒逐漸發(fā)育完全,晶型不斷趨于完整,這與XRD圖譜的分析結(jié)果相一致。
2.4 紅外光譜分析
圖5為樣品分別在500℃和550℃煅燒后得到的紅外光譜。從圖中可以看出,在400~1200cm-1的波長(zhǎng)范圍內(nèi),500℃和550℃煅燒的粉體中均出現(xiàn)了非常明顯的吸收帶,這是由于Ti-O鍵的伸縮振動(dòng)[16]引起的,因?yàn)?ZnTiO3,Zn2TiO4和 Zn2Ti3O8中都存在 TiO6基團(tuán),這與Yamaguchi的報(bào)道[13]相符。在1500~1700cm-1范圍內(nèi),500℃煅燒的樣品中出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于N-O鍵振動(dòng)的明顯吸收帶,而在550℃煅燒的樣品中卻沒有觀察到這一現(xiàn)象。產(chǎn)生的這一結(jié)果的原因是隨著煅燒溫度的提高,NO3-逐漸分解完全,這與熱分析和物相分析的結(jié)果一致。
本文采用溶膠-凝膠法,以去離子水作為溶劑,在550℃煅燒4h制備出具有鈦鐵礦結(jié)構(gòu)的納米純六方相ZnTiO3粉體。隨著溫度升高,晶粒發(fā)育更加完全且晶型趨于完整。純六方相ZnTiO3可以穩(wěn)定存在的溫度范圍是:550~900℃。在550℃煅燒得到的粉體顆粒尺寸約為50nm。
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Synthesis and Characterization of Pure Hexagonal ZnTiO3Powder
YU YouhuaXIA MengWU Weijie
(School of Material Science and Engineering,Jingdezhen Ceramic Institute,Jingdezhen Jiangxi 333001 China)
Pure hexagonal ZnTiO3powder was successfully synthesized by sol-gel method using deionized water as solvent.The as-prepared powder was characterized by thermogravimetric/differential thermal analysis(TG/DTA),X-ray diffraction(XRD),field emission scanning electron microscopy(FE-SEM)and Fourier-transforming infrared spectroscopy(FT-IR).The results showed that pure hexagonal ZnTiO3powder could be obtained by calcining the resultant derived from sol-gel process at a relatively low temperature of 550℃.Moreover,it had been found that the pure hexagonal ZnTiO3could exist in a relatively wide temperature range of 550~900℃.When the temperature increased up to 950°C,hexagonal ZnTiO3would decompose into cubic Zn2TiO4and rutile.The size of the particles calcined at 550℃is about 50nm.
sol-gel process;low temperature sintering;nanometer;ZnTiO3
on Feb.21,2012
T Q 1 7 4.7 5
A
1000-2278(2012)03-0300-04
2012-02-21
江西省教育廳科技基金資助項(xiàng)目(No.贛教技字[2007]220號(hào))
夏萌,E-mail:xiameng326@hotmail.com
XIA Meng, E-mail: xiameng326@hotmail.com