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钛酸镧的作用

发布日期:2020/2/1 11:46:39

背景及概述[1][2]

光催化净化技术应用于大气和水污染治理具有独特的使用效果,已经被应用于许多具 体的环境污染治理过程。在过去的研究过程中,主要的工作是围绕新型高活性光催化材料 的制备与应用。经过半个世纪的开发和改进,目前的研究重点是该技术的进一步工业化应 用。在这个过程中,材料的选择和对具体工艺过程的适应性就显得尤为重要。

光催化技术和 相关产品主要用于小型民用产品和小规模工业生产中,对其在大规模工业生产中应用的主 要制约因素是光催化材料。含钛化合物是光催化材料的主体,其中最主要的是氧化钛,受到 研究者重点关注的钛酸盐是当前极有应用潜力的一类新型光催化材料。钛酸镧材料在各类 环境污染净化过程具有令人满意的性能,尤其是对可见光能的利用使其具有较低的使用成 本。

钛酸镧属于ABO3钙钛矿结构材料,是一种 新型的人工合成的功能陶瓷粉末。可以用作压电材料、光电材料、铁电材料等。由于钛酸镧 是典型的层状钙钛矿( A2B2O7) 型稀土复合金属氧化物,具有催化活性高、光量子效率大等 优点,能够高效利用光能,因而在光解水制氢、有机物分解、环境治理等方面具有十分广泛 用途。

钛酸镧以往的合成方法一般采用传统的固相高温方法,该方法不仅能耗高,而且 长时间的烧结,合成的产品粒径大而且分布不均匀从而影响了其使用性能。如何采用经济 合理的工艺路线,合成出纯度高、粒径小且分布均匀的产品,已经成为科研工作者的重点研 究课题。

目前对于钛酸镧的研究较多,但大多合成方法并不简便。钛酸镧是一种具有钙钛矿结构的金属氧化物,它在很多方面具有优良的性质,如 室温导电性和制备成本低廉等。钛酸镧导电薄膜材料的这些优良性质决定了钛酸镧导电薄 膜不仅可以作为铁电薄膜的底电极,而且可以作为具有钙钛矿结构的铁电导电薄膜的缓冲 层使用。在众多制备钛酸镧导电薄膜材料的方法中,化学溶液沉积法具有制备工艺简单,反 应温度低且反应易于进行等优点。

理化性质及结构[1]

钛酸镧晶体La2Ti2O7属于单斜晶系,类钙钛矿结 构,室温下的空间群为P21。钛酸镧晶体晶体具有良好的铁电、光催化、电光特性,在 光、电领域具有十分广泛的应用前景。它具有非常高的居里温度(1500℃)和 很大的矫顽场(45kV/cm),可以应用在高温的电光设备及信息存储器上,如 高温变频器、铁电随机存取存储器(FRAM)等。

近年来,微波技术得到了快 速发展,在各个领域中的应用也日益广泛,因此开发新型高性能微波介质材料 的工作也就越来越受到广大科研人员的重视,钛酸镧晶体晶体具有高的介电常数 (εr=42-62),低的介电温度系数和介电损耗(100kHz-1MHz),因此它作为 一种重要的微波介质材料已经在国内外成为了研究热点。同时,它还具有很好 的压电特性,可用于制作高温传感器和微波压电体等器件。

此外,钛酸镧晶体还具有 优秀的光催化活性,在水分解反应、燃料电池和其他能量转换技术等方面具有 良好的应用前景。特别在中国,稀土元素种类繁多,储量丰富,为钛酸镧晶体晶体的 研究提供了得天独厚的平台。

随着研究的深入,人们还发现钛酸镧晶体可作为性能优异的涂层材料而应用在光 电子器件的制造中,如显示技术、成像技术、光输出和光集成的器件等。钛酸镧晶体 涂层材料具有稳定的高的折射率、高的均质性和高的透过率。目前,钛酸镧晶体作为 涂层材料已经广泛应用于高性能光电器件的制造上,而我国在此领域尚处于空 白状态;至于在精密光学制造平台上,由于缺乏先进地材料,我国也处于低端 技术产品的生产阶段。

目前,用于制备钛酸镧晶体涂层材料的靶材大多采用多晶陶瓷,主要通过低温水 热合成法、溶胶-凝胶法、高温固相合成法、沉淀法、有机金属分解法等方法 来制备。多晶陶瓷钛酸镧晶体虽然制备容易,但在制备过程中容易引入杂质,形成大 量气孔,并且难以保证成分和结构的均匀性,而这些因素对制备高质量的钛酸镧晶体 薄膜起着决定性的作用。


钛酸镧

制备 [2]

步骤1:合成钛酸镧溶胶。

步骤1.1:在500 mL三口圆底烧瓶加入170~190 mL无水乙醇、75~85 mL丙酮和26~ 33 mL 对二甲苯,然后装上搅拌器、测温热电偶和球形冷凝管,球形冷凝管连接自来水起到 冷却作用,500 mL三口圆底烧瓶置于恒温电热包中。

步骤1.2:保持500 mL三口圆底烧瓶中溶液温度为60 ℃,持续加热回流30 min,同 时搅拌器搅拌转速为60rpm,随后加入36~39 mL钛酸异丙醇酯、3.7~3.9 mL 三叔丁基异丙 铵的25%(质量百分数)乙醇溶液 和3.1~3.3 mL导向剂ART-113,保持溶液温度为60 ℃,加 热回流30 min,同时搅拌器搅拌转速为60rpm,形成第一溶液。

步骤1.3:在磁力搅拌恒温水浴锅中放置200 mL烧杯,向200 mL烧杯中加入61~65 mL蒸馏水,保持水浴水温为60 ℃。将6.1~6.3 g硝酸镧、2.5~2.6 g氯化铵、2.5~2.7 g 草酸 钠和1.6~1.7 g分散剂TO-125分别加入蒸馏水中,连续搅拌直至所有物质完全溶解,形成第 二溶液。

步骤1.4:在500 mL三口圆底烧瓶内将第二溶液加入第一溶液中,再加入0.1-0.3g 无水柠檬酸,安装搅拌器、测温热电偶和球形冷凝管,在60 ℃加热回流30 min,同时搅拌器 搅拌转速为60rpm,形成透明状钛酸镧溶胶。

主要参考资料

[1] 石国英, & 朱晓旭. (2009). 钛酸镧氧氮化物粉体的制备与表征. 硅酸盐通报, 28(3), 431-434.

[2] 刘敏, 朱海奎, & 周洪庆. (2006). 钛酸镁/钛酸镧复相陶瓷性能的研究. 材料导报, 20(f11), 349-350.

[3] 冉少念, 陈刚, 符春林, 蔡苇, & 向炼. (2012). Ta掺杂钛酸镧陶瓷的铁电和介电性能研究. 压电与声光, 34(6), 912-914.

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