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        硅酸鋰粉體的微波水熱法制備及其表征

        2016-11-14 06:26:40郭志峰神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司內(nèi)蒙古鄂爾多斯010300
        化工管理 2016年30期
        關(guān)鍵詞:水熱法硅酸等溫線

        郭志峰(神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

        硅酸鋰粉體的微波水熱法制備及其表征

        郭志峰(神華準(zhǔn)能資源綜合開發(fā)有限公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯010300)

        以氫氧化鋰和硅酸乙酯為原料,采用微波水熱法在80~150℃下成功地制備出高純硅酸鋰粉體,并利用場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)、X-射線能譜儀(EDS)、X射線多晶粉末衍射儀(XRD)、比表面積(BET)及孔徑測試儀對所制備的硅酸鋰粉體的微觀形貌、元素和物相組成、吸附性能進(jìn)行了表征研究,結(jié)果表明,微波水熱法使硅酸鋰的結(jié)晶溫度降低到80℃,極大地降低了硅酸鋰粉體的合成能耗,在80℃下水熱反應(yīng)40min可以得到結(jié)晶良好、疏松多孔、具有較大比表面積和微孔結(jié)構(gòu)的純相硅酸鋰粉體,采用謝樂公式計(jì)算出其晶粒平均尺寸為70.65nm。

        硅酸鋰粉體;微波水熱法;孔徑結(jié)構(gòu)

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1原料

        正硅酸乙酯(TEOS),分析純,阿拉丁試劑;氫氧化鋰(LiOH. H2O),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;鹽酸(HCl),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;氟化鈉(NaF),分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

        1.2粉體的制備

        配制0.1mol/L的LiOH溶液200ml,按n(F):n(Li)=1將礦化劑氟化鈉加入LiOH溶液中,攪拌混合均勻。將TEOS按照n(Si):n(Li)=1:2滴加至LiOH溶液中,同時(shí)滴加氨水使TEOS完全水解形成硅酸溶膠,然后將該溶膠體系調(diào)至pH值為9,按一定比例加入礦化劑NaF,繼續(xù)攪拌2h,然后將該溶液陳化10h。將陳化后的溶液加入罐體材料為聚四氟乙烯的微波消解罐中,放入微波消解儀中,程序升溫至60~150℃,在最高溫度下保持40min。反應(yīng)結(jié)束后自然空氣冷卻,倒出產(chǎn)物,用乙醇洗滌產(chǎn)物數(shù)次后再用蒸餾水洗滌,除去其表面覆著的雜質(zhì)離子,再在60℃下干燥3h。

        圖1 分別在150℃、120℃、100℃、80℃下所合成的硅酸鋰粉體的FE-SEM形貌

        2 測試與表征

        2.1粉體物相表征

        德國BrukerD8-Advance型X-射線多晶粉末衍射儀,采用Cu靶Kα1射線,工作電壓和電流分別為40kV、40mA,掃描角度范圍5°~95°,步長0.01°,每步0.1s,掃描完成后采用DIFFRAC EvaluationPackage數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行物相的檢索分析,采用Scherrer公式計(jì)算產(chǎn)物的晶粒尺寸。

        2.2粉體微觀結(jié)構(gòu)表征

        采用德國ZEISS-SUPRA55型高分辨率場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察粉體的微觀形貌結(jié)構(gòu)及顆粒大小,并采用Oxford-AztecX-Max80型X-射線能譜儀對粉體進(jìn)行了微區(qū)元素分析。

        2.3比表面積及孔徑分布表征

        圖2.80℃下所合成硅酸鋰粉體顆粒的EDS譜圖

        圖3.150℃下所合成的硅酸鋰粉體的等溫線 

        圖4.120℃下所合成的硅酸鋰粉體的等溫線

        圖5.100℃下所合成的硅酸鋰粉體的等溫線 

        圖6.80℃下所合成的硅酸鋰粉體的等溫線

        表2 幾種硅酸鋰材料的孔徑分布Table2 The pore size distribution o f the Li2SiO4

        北京金埃譜科技有限公司V-Sorb 2800TP比表面積及孔徑分析儀,靜態(tài)容量法測定,氦氣做載氣,氮?dú)庾鑫綒猓瑴y定吸附-脫附等溫線,由吸附數(shù)據(jù)通過多點(diǎn)線性擬合求得BET比表面積,用單凝聚點(diǎn)(P/Po=0.9963)法求得孔容積,由吸附等溫線確定孔結(jié)構(gòu),利用公式4V/A(V為孔容積,A為吸附BET比表面積)計(jì)算平均孔徑。

        3 結(jié)果與討論

        3.1產(chǎn)物的FE-SEM分析

        圖1中A、B、C、D分別為采用微波水熱法在150℃、120℃、100℃、80℃下合成的硅酸鋰粉體的SEM圖像。從圖中可以看出,在150℃下所合成的硅酸鋰粉體的晶粒尺寸較小且團(tuán)聚嚴(yán)重,這可能是由于較高的反應(yīng)溫度使得形成了過多的晶核,但是又沒有足夠的時(shí)間或條件長大,就會(huì)造成晶粒尺寸變小,團(tuán)聚正是尺寸小造成的,體系傾向于表面能的降低。隨著溫度的降低,體系內(nèi)晶核減少,反應(yīng)和擴(kuò)散速度變慢,使得硅酸鋰晶粒可以逐漸長大,團(tuán)聚減弱,所合成的硅酸鋰粉體的晶粒尺寸比在150℃條件下所合成的晶粒尺寸大且晶粒分散性好,從圖中可以看到在120℃和100℃條件下所合成的硅酸鋰晶體晶粒尺寸皆比較大,基本上沒有團(tuán)聚現(xiàn)象產(chǎn)生,但隨著反應(yīng)溫度逐漸降低到80℃后,所合成的粉體呈疏松多孔狀,這可能是由于反應(yīng)溫度繼續(xù)降低時(shí),所合成的硅酸鋰晶體由于熱力學(xué)的原因不能緊密結(jié)合所造成得。

        3.2產(chǎn)物的EDS分析

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證在80℃的低溫下所合成的粉體為Li2SiO4晶體,對采用微波水熱法在80℃下所合成粉體中的晶體顆粒進(jìn)行了EDS點(diǎn)掃描,圖1為EDS譜圖,從圖中可以看到粉體中主要含有的元素為Si和O兩種元素,由于EDS可以檢出的元素范圍為4-92號(hào)元素,Li元素不在此范圍內(nèi),因而EDS譜圖中沒有Li元素的譜峰,EDS定量結(jié)果顯示Si和O兩種元素的原子百分比接近于1:4,從以上結(jié)論進(jìn)一步可以驗(yàn)證所合成的粉體為Li2SiO4粉體。(圖2所示)

        但其孔結(jié)構(gòu)為非微孔型;在120℃和100℃下所合成的硅酸鋰粉體的氮?dú)馕降葴鼐€皆為Ⅲ型,可知此溫度下所合成的硅酸鋰粉體與氮?dú)夥肿泳哂腥醯南嗷プ饔昧?,這可以解釋為在此溫度范圍內(nèi)所合成的硅酸鋰粉體由于晶粒比較大,同時(shí)其又不具有微孔結(jié)構(gòu),所以對氮?dú)夥肿拥奈侥芰Ρ容^弱,這也可從這兩種粉體具有較小的比表面積而得到驗(yàn)證。在80℃下所合成的硅酸鋰粉體的氮?dú)馕降葴鼐€為Ⅰ型,低壓端偏Y軸則說明此溫度下所合成的硅酸鋰粉體與氮?dú)夥肿泳哂蟹浅?qiáng)的相互作用力,這是由于存在許多微孔,微孔內(nèi)的強(qiáng)吸附勢所造成得。(如圖3-圖6所示)

        表2為采用微波水熱法分別在150℃、120℃、100℃、80℃下所合成的硅酸鋰粉體的孔徑分布表,從表中中孔和微孔的孔徑分布數(shù)據(jù)皆可以看到,在80℃下所合成的硅酸鋰粉體的孔徑最小,可理解為其具有微孔結(jié)構(gòu);在120℃和100℃下所合成的硅酸鋰粉體的孔徑嚴(yán)重偏大,可理解為其具有中孔結(jié)構(gòu)。80℃下所合成的硅酸鋰粉體具有微孔結(jié)構(gòu)這也可從SEM圖1(D)中所具有的疏松多孔的結(jié)構(gòu)而得到驗(yàn)證。

        4 結(jié)語

        采用微波水熱法在低溫條件下(80~150℃)成功合成了結(jié)晶良好、純度較高且具有較小的晶粒尺寸和較大的比表面積的硅酸鋰粉體,微波水熱法將硅酸鋰的合成溫度降低到了80℃,與傳統(tǒng)水熱法相比顯著提高了反應(yīng)效率,降低了反應(yīng)能耗,且在此溫度下所合成的硅酸鋰粉體具有微孔結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出非常強(qiáng)的吸附能力。

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