实验5　溶胶-凝胶法共沉淀法制备钛酸钡粉体

一、实验目的

① 掌握使用溶胶-凝胶法、直接沉淀法合成纳米钛酸钡粉体材料。

② 通过化学分析方法测定纳米钛酸钡中钡和钛的含量。

③ 了解使用X射线衍射仪、激光粒度分析仪以及扫描电镜等测试手段对纳米粉体产物进行表征。

二、实验原理

钛酸钡是电子和精细陶瓷高新技术的关键性材料，具有高的介电常数，良好的铁电、压电、耐压及绝缘性能，广泛应用于体积小、容量大的微型电容器、电子计算机记忆元件、压电陶瓷等，它是电子陶瓷领域应用最广泛的材料之一。随着现代科学技术的发展，由传统固相法合成的钛酸钡，因颗粒粒径粗、均匀性差、烧结活性低，不能满足高科技应用的要求。现常用的合成方法是液相法（湿化学法），包括溶胶-凝胶法、水热法、化学沉淀法等，本实验主要介绍利用溶胶-凝胶法、直接沉淀法合成纳米钛酸钡粉体材料。

溶胶-凝胶法是指将金属醇盐或无机盐水解成溶胶，然后使溶胶凝胶化，再将凝胶干燥焙烧后得到纳米粉体。其基本反应原理如下。

① 溶剂化能电离的前驱体——金属盐的金属阳离子M^z+吸引水分子形成溶剂单元M（H₂O（z为M离子的价数），具有为保持它的配位数而强烈地释放H⁺的趋势。

M（H₂OM（H₂O）_n-1（OH）^（z-1）+H⁺

② 水解反应　非电离式分子前驱体，如金属醇盐M（OR）_n（n为金属M的原子价）

与水反应：

M（OR）_n+xH₂OM（OH）x（OR）_n+xROH

反应可持续进行，直至生成M（OH）_n。

③ 缩聚反应　缩聚反应可分为

失水缩聚　M—OH+HO—MM—O—M+H₂O

失醇缩聚　M—OH+HO—MM—O—M+ROH

反应生成物是各种尺寸和结构的溶胶体粒子。

本实验采用醋酸钡和钛酸丁酯为原料的溶胶-凝胶法制备纳米钛酸钡粉体，并对不同煅烧温度处理的样品用X射线衍射法进行结构表征。

溶胶凝胶法的原料价高，高温煅烧能耗大，且煅烧过程中往往造成晶粒长大和颗粒硬团聚。以四氯化钛和氯化钡溶液分别为钛源和钡源.以氢氧化钠溶液为沉淀剂，使用直接沉淀法合成纳米钛酸钡粉体，可以避免上述缺点，得到球形形貌、颗粒尺寸均匀的纳米粉体。该反应的反应方程式为：

TiCl₄+H₂OTiOCl₂+2HCl

TiOCl₂+BaCl₂+4NaOHBaTiO₃+4NaCl+2H₂O

三、实验设备与材料

（1）设备

电子天平，量杯，磁力搅拌器，研钵，45目筛网，电热恒温干燥箱，坩埚，马弗炉，烧杯，称量瓶，移液管，500mL锥形瓶，滴定管，快速定量滤纸，501A型恒温水浴箱，pH计，X射线衍射仪，激光粒度分析仪，扫描电镜。

（2）试剂

醋酸钡，冰乙酸，钛酸丁酯，无水乙醇，四氯化钛，氯化钡，氢氧化钠。

四、实验步骤与方法

（1）溶胶-凝胶法制备纳米BaTiO₃粉体

① 计算配置20mL 0.3mol/L的钛酸钡前驱溶液所需的醋酸钡（1.53g）和钛酸丁酯（2.04g）的用量，精确到小数点后3位，用电子天平称量所需钛酸丁酯的质量，并由此计算出实际所需醋酸钡的用量，并称出。

② 用量筒将8mL冰乙酸加入到烧杯中，用刻度吸管注入2mL去离子水，烧杯放在磁力搅拌器上搅拌，直至醋酸钡完全溶解，再将3mL无水乙醇和称量瓶里的钛酸丁酯缓慢倒入烧杯中，继续搅拌混合均匀，最后向烧杯中加入无水乙醇，使溶液达到20mL，搅拌均匀，利用盐酸或氨水调节溶液的pH（大约为4），直至形成溶胶。

③ 将形成的溶胶放在60℃的干燥箱中干燥得到凝胶，然后在研钵中磨碎烘干好的凝胶，并过45目的筛子，将筛好的原料放入坩埚中，在马弗炉中650℃、800℃和1000℃煅烧2h（保留小部分凝胶粉末，以备下面实验用）。

（2）直接沉淀法制备纳米BaTiO₃粉体

① 将TiCl₄溶液在冰水浴中进行水解，得到浓度为2.5mol/L清亮透明的TiOCl₂水溶液。另配置浓度为1.2mol/L的BaCl₂溶液。

② 将TiOCl₂水溶液和BaCl₂溶液按照Ba和Ti的摩尔比为1.07∶1.00的比例进行混合，制得反应液。

③ 再将预热到一定温度的反应液与浓度6mol/L的NaOH溶液按一定比例加入到反应器中，同时搅拌并用pH计检测反应过程，需保持pH不变。反应时间约需要15～20min。

④ 将所得沉淀物分离、洗涤、烘干并研磨，得到纳米BaTiO₃粉体。

（3）纳米BaTiO₃粉体的物相分析、粒度分布以及形貌表征

分别使用X射线衍射仪、激光粒度分析仪以及扫描电镜等仪器作为测试手段对纳米BaTiO₃粉体进行物相、粒度分布及形貌表征。

五、数据记录与处理

纳米BaTiO₃粉体制备方法如下。

（1）溶胶凝胶法

理论产量 g，实际产量 g，产率： %。 

（2）直接沉淀法

理论产量 g，实际产量 g，产率： %。 

六、思考题

① 溶胶-凝胶法制备纳米材料过程中，哪些因素影响产物的大小及其分布？

② 溶胶-凝胶法和共沉淀法制备纳米材料的优点和缺点有哪些？

参　考　文　献

[1]　曲荣君.材料化学实验.北京：化学工业出版社，2008.

[2]　安富强，郭瑞，高保娇.化学共沉淀法制备纳米钛酸钡的研究[J].中北大学学报（自然科学版），2006，27（3）：244-248.

[3]　苏毅，杨亚玲，胡亮.溶胶-凝胶法制备钛酸钡超细粉体的研究[J].化学研究与应用，2002，14（2）：201-204.