專利名稱：一種一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的制備方法的制備方法，屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鈦酸鉛是最具代表性的鐵電氧化物材料之一，對于理解和認(rèn)識鈣鈦礦氧化物材料的鐵電性起源、合成設(shè)計新型的鐵電材料具有重要的理論價值。鈦酸鉛具有優(yōu)異的鐵電、壓電、介電性能，因此在非揮發(fā)性鐵電存儲器、壓電傳感器、熱釋電敏感器和高介電電容器等電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著電子器件的小型化要求不斷提高，單相多功能材料成為企業(yè)和科研團(tuán)隊的研究熱點。浙江大學(xué)利用過渡金屬元素狗摻雜進(jìn)入傳統(tǒng)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料I^bTiO3中，獲得同時具有鐵電性和鐵磁性的單相材料。目前，浙江大學(xué)首次使用高分子輔助水熱法制得一維柱狀結(jié)構(gòu)的鈦酸鉛單晶納米纖維(Zhaohui Renj Gang Xuj Yong Liuj Xiao Weij Yihan Zhuj Xiaobin Zhang, Guanglie Lvj Youwen Wang, Yuewu Zengj Piyi Duj Wenjian Wengj Ge Shenj J. Ζ. Jiang and Gaorong Han, PbTiO3 Nanofibers with Edge-Shared TiO6 Octahedra，2010， 132(16)，5572-5573.)。這種結(jié)構(gòu)的鈦酸鉛晶體，其鈦氧八面體是通過共邊連接形成一維柱狀結(jié)構(gòu)。而鐵摻雜進(jìn)入一維柱狀結(jié)構(gòu)鈦酸鉛，獲得一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛的單晶納米纖維，國內(nèi)外均未見有關(guān)的制備方法和工藝報道。一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛納米纖維在光學(xué)性能及鐵電鐵磁性能等方面表現(xiàn)出很優(yōu)異的性能，并且在電場作用下能夠發(fā)生彎曲現(xiàn)象，是一種性能非常優(yōu)異的材料，具有很大的研究價值和應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單，過程易于控制的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛的單晶納米纖維的制備方法。一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛的單晶納米纖維的制備方法，包括以下工藝步驟
1)按欲合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛的化學(xué)式H^exTihO3計量，0.001SX ^ 0. 20，稱取鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵共同溶于乙二醇甲醚中，調(diào)節(jié)Ti4+離子濃度為 0. 4995-0. 4mol/L, Fe3+ 離子濃度為 0. 0005-0. 10mol/L;
2)攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵的混合溶液中滴入質(zhì)量濃度 30%的氨水溶液，使鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵水解沉淀，過濾，洗滌，獲得鈦和鐵的沉淀；
3)將硝酸鉛溶于去離子水，形成硝酸鉛水溶液，調(diào)節(jié)1 2+離子濃度為0.5-1. 5mol/L;
4)將氫氧化鉀和聚乙烯醇分別溶于去離子水，配置濃度為0.5-2mol/L的氫氧化鉀水溶液和濃度為2-8g/L的聚乙烯醇水溶液；
5)將以上制得的鈦和鐵的沉淀、硝酸鉛水溶液、氫氧化鉀水溶液和聚乙烯醇水溶液加入到聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)其體積為反應(yīng)釜容積的2/3 4/5，攪拌不少于5分鐘，得到懸浮液；6)將步驟5)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密閉，置于190-200°C的爐中保溫，反應(yīng)8-14小時后，置于空氣中自然降溫至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，用去離子水清洗，烘干，得到一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維。本發(fā)明所采用的硝酸鉛，鈦酸丁酯，乙酰丙酮鐵，氫氧化鉀和聚乙烯醇等化學(xué)試劑的純度均不低于化學(xué)純。本發(fā)明采用水熱反應(yīng)，以乙二醇甲醚作為溶解鈦離子和鐵離子的溶劑，利用氨水作為沉淀劑沉淀鈦和鐵離子；利用表面修飾劑聚乙烯醇實現(xiàn)生長方向的調(diào)控；最后利用礦化劑氫氧化鉀來促進(jìn)晶化，實現(xiàn)一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的合成。本發(fā)明工藝過程簡單，易于控制，無污染，成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)；制得的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維，純度高，分散性好。


圖1 是一維柱狀結(jié)構(gòu) PbFe0. 005TiQ. 995O3單晶納米纖維的XRD圖譜。圖2 是一維柱狀結(jié)構(gòu) PbFe0. 005TiQ. 995O3單晶納米纖維的掃描電鏡圖片。圖3 是一維柱狀結(jié)構(gòu) PbFe0. 005TiQ. 995O3單晶納米纖維的能譜圖。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例對本發(fā)明方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實施例1
1)按欲合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的化學(xué)式 PbFexTi1^O3(x=0. 001)計量，稱取鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵溶于乙二醇甲醚中；調(diào)節(jié)Ti4+離子濃度為 0. 4995mol/L, Fe3+ 離子濃度為 0. 0005mol/L;
2)攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵的溶液中滴入2ml質(zhì)量濃度 30%的氨水溶液，使鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵水解沉淀，過濾，洗滌除去氨根離子，獲得鈦和鐵的沉淀；
3)將硝酸鉛溶于去離子水，形成硝酸鉛水溶液，調(diào)節(jié)Pb2+離子濃度為1.5mol/L;
4)將氫氧化鉀和聚乙烯醇分別溶于去離子水，配置濃度為0.5mol/L的氫氧化鉀水溶液和濃度為8g/L的聚乙烯醇水溶液；
5)將以上制得的鈦的羥基氧化物白色沉淀、硝酸鉛水溶液、氧化鉀水溶液和聚乙烯醇水溶液加入到聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)其體積為反應(yīng)釜容積的2/3，磁力攪拌器攪拌5分鐘，得到懸浮液；
6)將步驟5)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密閉，置于200°C的爐中保溫，反應(yīng)12小時后，置于空氣中自然降溫至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，用去離子水清洗，將氫氧化鉀和聚乙烯醇與合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維充分分離，烘干， 得到一維柱狀結(jié)構(gòu)H3FeacmTia 999O3的單晶納米管。實施例2
1)按欲合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的化學(xué)式H^exTihO3 (x=0. 005)計量，稱取鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵共同溶于乙二醇甲醚中，調(diào)節(jié)Ti4+離子濃度為 0. 4975mol/L, Fe3+ 離子濃度為 0. 0025mol/L;2)攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵溶液中滴入質(zhì)量濃度30%的氨水溶液，使鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵水解沉淀，過濾，洗滌除去氨根離子，獲得鈦和鐵的沉淀；
3).將硝酸鉛溶于去離子水，形成硝酸鉛水溶液，調(diào)節(jié)1 2+離子濃度為lmol/L;
4)將氫氧化鉀和聚乙烯醇分別溶于去離子水，配置濃度為lmol/L的氫氧化鉀水溶液和濃度為6g/L的聚乙烯醇水溶液；
5)將以上制得的鈦和鐵的沉淀、硝酸鉛水溶液、氧化鉀水溶液和聚乙烯醇水溶液加入到聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)其體積為反應(yīng)釜容積的3/4，磁力攪拌器攪拌5分鐘，得到懸浮液；
6)將步驟5)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密閉，置于200°C的爐中保溫，反應(yīng)11小時后，置于空氣中自然降溫至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，用去離子水清洗，將氫氧化鉀和聚乙烯醇與合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維充分分離，烘干， 得到一維柱狀結(jié)構(gòu)H^eatltl5Tia 995O3的單晶納米纖維，其XRD圖譜見圖1，由圖可以看出所獲得的納米纖維為純的一維柱狀結(jié)構(gòu)，且所獲得的納米纖維形貌圖見圖2，與所獲得的XRD圖譜一致，為單一的納米纖維，圖1和圖2結(jié)合表明該方法所制備的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維純度高，分散性好。且所制備的納米纖維能譜圖見圖3，由圖可以看出納米纖維的成分為1 ，F(xiàn)e, Ti, ο四種元素，充分說明狗離子摻雜進(jìn)入了一維柱狀結(jié)構(gòu)Inyrio3 的晶格。實施例3
1)按欲合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的化學(xué)式H^exTihO3(x=0.1) 計量，稱取鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵共同溶于乙二醇甲醚中，調(diào)節(jié)Ti4+離子濃度為0. 45mol/ L, Fe3+ 離子濃度為 0. 05mol/L;
2)攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵溶液中滴入2ml質(zhì)量濃度30% 的氨水溶液，使鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵水解沉淀，過濾，洗滌除去氨根離子，獲得鈦和鐵的沉淀；
3)將硝酸鉛溶于去離子水，形成硝酸鉛水溶液，調(diào)節(jié)1 2+離子濃度為0.5mol/L;
4)將氫氧化鉀和聚乙烯醇分別溶于去離子水，配置濃度為2mol/L的氫氧化鉀水溶液和濃度為2g/L的聚乙烯醇水溶液；
5)將以上制得的鈦和鐵的氧化物沉淀、硝酸鉛水溶液、氧化鉀水溶液和聚乙烯醇水溶液加入到聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)其體積為反應(yīng)釜容積的4/5，磁力攪拌器攪拌5分鐘，得到懸浮液；
6)將步驟5)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密閉，置于200°C的爐中保溫，反應(yīng)8小時后，置于空氣中自然降溫至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，用去離子水清洗，將氫氧化鉀和聚乙烯醇與合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維充分分離，烘干， 得到一維柱狀結(jié)構(gòu)PbFe5aiTia9O3的單晶納米纖維。實施例4
1)按欲合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的化學(xué)式H^exTihO3(x=0. 2) 計量，稱取鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵共同溶于乙二醇甲醚中，調(diào)節(jié)Ti4+離子濃度為0. 4mol/L, 狗3+離子濃度為0. lmol/L;
52)攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵的溶液中滴入2ml質(zhì)量濃度 30%的氨水溶液，使鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵水解沉淀，過濾，洗滌除去氨根離子，獲得鈦和鐵的沉淀；
3)將硝酸鉛溶于去離子水，形成硝酸鉛水溶液，調(diào)節(jié)1 2+離子濃度為0.5mol/L;
4)將氫氧化鉀和聚乙烯醇分別溶于去離子水，配置濃度為2mol/L的氫氧化鉀水溶液和濃度為2g/L的聚乙烯醇水溶液；
5)將以上制得的鈦和鐵的沉淀、硝酸鉛水溶液、氧化鉀水溶液和聚乙烯醇水溶液加入到聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)其體積為反應(yīng)釜容積的4/5，磁力攪拌器攪拌5分鐘，得到懸浮液；
6)將步驟5)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密閉，置于190°C的爐中保溫，反應(yīng)14小時后，置于空氣中自然降溫至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，用去離子水清洗，將氫氧化鉀和聚乙烯醇與合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維充分分離，烘干， 得到一維柱狀結(jié)構(gòu)H^ea2Tia8O3的單晶納米纖維。
權(quán)利要求
1.一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的制備方法，其特征在于包括以下工藝步驟1)按欲合成的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛的化學(xué)式H^exTihO3計量，0.001SX ^ 0. 20，稱取鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵共同溶于乙二醇甲醚中，調(diào)節(jié)Ti4+離子濃度為 0. 4995-0. 4mol/L, Fe3+ 離子濃度為 0. 0005-0. 10mol/L;2)攪拌狀態(tài)下，向步驟1)制得的鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵的混合溶液中滴入質(zhì)量濃度 30%的氨水溶液，使鈦酸丁酯和乙酰丙酮鐵水解沉淀，過濾，洗滌，獲得鈦和鐵的沉淀；3)將硝酸鉛溶于去離子水，形成硝酸鉛水溶液，調(diào)節(jié)1 2+離子濃度為0.5-1. 5mol/L;4)將氫氧化鉀和聚乙烯醇分別溶于去離子水，配置濃度為0.5-2mol/L的氫氧化鉀水溶液和濃度為2-8g/L的聚乙烯醇水溶液；5)將以上制得的鈦和鐵的沉淀、硝酸鉛水溶液、氫氧化鉀水溶液和聚乙烯醇水溶液加入到聚四氟乙烯的反應(yīng)釜內(nèi)膽中，用去離子水調(diào)節(jié)其體積為反應(yīng)釜容積的2/3 4/5，攪拌不少于5分鐘，得到懸浮液；6)將步驟5)配置有反應(yīng)物料的反應(yīng)釜內(nèi)膽置于反應(yīng)釜中，密閉，置于190-200°C的爐中保溫，反應(yīng)8-14小時后，置于空氣中自然降溫至室溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，過濾，用去離子水清洗，烘干，得到一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的制備方法， 其特征在于所述的硝酸鉛、鈦酸丁酯、乙酰丙酮鐵、氫氧化鉀和聚乙烯醇純度均不低于化學(xué)純。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的制備方法,該方法采用的是水熱反應(yīng)法，以乙二醇甲醚作為溶解鈦離子和鐵離子的溶劑，利用氨水作為沉淀劑沉淀鈦離子和鐵離子；利用表面修飾劑聚乙烯醇實現(xiàn)生長方向的調(diào)控；最后利用礦化劑氫氧化鉀來促進(jìn)晶化，實現(xiàn)一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維的合成。本發(fā)明工藝過程簡單，易于控制，無污染，成本低，易于大規(guī)模生產(chǎn)；制得的一維柱狀結(jié)構(gòu)鐵摻雜鈦酸鉛單晶納米纖維，純度高，分散性好。
文檔編號C30B7/10GK102154702SQ20111006612
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者任召輝, 徐剛, 杜丕一, 沈鴿, 翁文劍, 肖珍, 韓高榮 申請人:浙江大學(xué)