本發明專利技術公開一種微波水熱合成裝置，包括一提供反應場所的反應容器本體，以及用于測溫與控的溫熱電偶，反應容器本體由金屬或部分由金屬制成，且在反映容器的本體的內部還附有可以透過微波的微波透明介質，在該裝置上還裝配有能夠在反應時提供或取走能量或熱量的輔助加熱／冷卻裝置，在反應容器本體的上部裝設有微波反應能在攪拌的條件下進行的攪拌器。ａ．將四氯化鈦與氫氧化鋇或者水合氧化鈦與氫氧化鋇混合溶液放置于反應容器本體內，并鋇鈦的摩爾比例大于１；ｂ．加水調整鈦的起始濃度為０．１－１．５ｍｏｌ／Ｌ；ｃ．在微波輸入功率為大于５０Ｗ的條件下，在至少２００℃的情況下攪拌反應６－２４小時，可得四方相鈦酸鋇粉體，顆粒粒徑可調控在７０－１０００ｎｍ范圍內。
Microwave hydrothermal synthesis apparatus and method for synthesizing tetragonal phase barium titanate
The invention discloses a microwave hydrothermal synthesis device, which comprises a reaction vessel body reaction sites, as well as for the measurement and control of temperature thermocouple, the reaction vessel body is made of metal or parts made of metal, and reflected in the inside container body is attached through microwave transparent medium micro wave, auxiliary heating / the cooling device can provide or removal of energy or heat in the reaction is assembled in the device, agitator in the upper part of the container body is provided with a microwave reaction reaction can be carried out in mixing conditions. A. four titanium chloride and barium hydroxide or hydrous titanium oxide and barium hydroxide mixed solution is placed in the reaction vessel in the body, and the molar ratio of barium titanium is higher than 1; the initial concentration of the water B. 0.11.5mol adjustment Ti / L; C. in the microwave input power is greater than 50W, stirring for 6 to 24 hours in at least 200 deg.c, available Tetragonal Barium titanate powder, the particle size can be controlled in the range of 70 - 1000nm.
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水熱(溶劑熱)合成設備，具體指的是一種微波水熱合成裝以及利用該裝置合成四方相鈦酸鋇的方法。
技術介紹
微波水熱(microwave-hydrothermal)技術是在微波條件下進行水熱反應與合成各種材料的一種方法。此方法應用于粉體材料制備實驗始于1992年(S.Komarneni，R.Roy，Q.H.Li，Mater.Res.Bull.27，1393-1405，1992.)，他們使用商業化的微波消解裝置。微波溶劑熱是指用非水的溶劑或水與其他溶劑的混合物替代水作為反應介質進行的的反應，以下所指的微波水熱包括微波溶劑熱。微波水熱法與普通水熱法相比較，具有一些特殊的優點，如反應速度快，能量利用率高，且能合成一些普通水熱法(conventional hydrothermal)無法合成的材料，或合成的材料具有特定的性質(微波化學，金欽漢等編，科學出版社，1999)。但不同的材料的合成，需要不同的反應溫度，許多合成反應必須在較高的溫度下進行。同時，提高反應溫度，能大大的縮短反應時間，改變產物的性質，或增加產率。而至今為止，在所有的關于微波水熱合成的報道中，反應溫度未超過220℃。因為水熱反應一般在100℃以上進行，溫度每升高20-25度，水的蒸汽壓大約增加一倍。當溫度達到240℃，水的蒸汽壓為3.4MP；溫度為300℃，水的蒸汽壓升為8.8MP；溫度為370℃，水的蒸汽壓為21.5MP。由于目前通用的制造高壓容器的金屬材料不能透過微波，所以微波水熱反應都在用有機材料(如聚四氟乙烯，聚酰亞胺)制成的容器中進行。這些有機材料難于在300℃以上，10MP的條件下長時間工作，不能滿足一些必須在較高溫度條件下才能合成的材料的需要。且反應容器的容積小，器壁厚，難于進行較大規模的試驗或生產。在微波水熱反應中，當反應溫度達到設定值時，為了維持溫度(同時也就維持了壓力)，通常采取間歇式的輸入微波，或降低(升高)輸入微波功率的方法，不能在維持反應溫度不變的同時按照各種不同材料合成的特殊需要維持或調整微波的實際工作時間或微波輸入功率。這方面的報道至今未見。攪拌是合成反應常用或必備的手段。但目前微波水熱反應是將有機材料制備的反應容器置入屏蔽的微波腔內，所以未見在進行微波水熱反應的同時進行攪拌以滿足許多材料制備要求的報道。鈦酸鋇(BaTiO3)是一種在電子陶瓷工業中得到廣泛應用的材料。鈦酸鋇在室溫時的熱力學穩定相是四方相結構，具有優異的鐵電，壓電，介電與熱電性。傳統的生產方法是固相法，一般得到的產物顆粒大，分布寬，易引入雜質且生產的能耗高。日本，美國已用水熱法生產鈦酸鋇，產物的顆粒粒徑可根據需要控制在100nm到1000nm之間，分布窄，純度高，能滿足現代電子器件的需要，尤其是陶瓷多層電容(ceramic multilayer capacitors，MLC)元件制造的需要(D.Hennings，et al.，Adv.Mater.3，334-340，1991)。但是，普通水熱法得到的產物通常為亞穩定的順電相立方結構，為了轉變為四方相，一般需要加熱到1000℃以上，這樣會造成顆粒的長大與團聚，降低粉末的燒結性能。實驗證明，用水熱法在240℃的較低溫度下直接合成四方相，需要在水熱溶液中加入大量的鹵素離子如氯離子以及(或)堿金屬氫氧化物(P.K.Dutta，J.R.Gregg，Chem.Mater.4(1992)843-846；H.Xu，L.Gao，J.Guo，J.Am.Ceram.Soc.85(2002)727-729.)。這些鹵素離子以及(或)堿金屬離子會混入鈦酸鋇中形成雜質。通過大量的水洗去除雜質，會造成產品的鋇鈦比降低和不足，極大的影響產品的性能。有關微波水熱法合成鈦酸鋇的報道，都是在溫度200℃以下進行，得到的產物為立方相。僅有的一次報道為四方相，但需在溶液中加入氯離子，且反應時間為一周(Y.Ma，E.Vileno，S.L.Suib，P.K.Dutta，Chem.Mater.9(1997)3023-3031.)。
技術實現思路
為使微波水熱反應能在240℃以上，特別是300℃以上的溫度條件下長時間工作；為了在保持反應溫度恒定的同時按照設計要求隨意地保持或調整微波工作時間或輸入功率，本專利技術的目的是提供一種微波水熱合成裝置，該裝置可以將合成溫度提高到200℃以上，用于四方相鈦酸鋇的水熱合成，可以在更短的時間內直接合成四方相鈦酸鋇，不需要反應時加入鹵素離子如氯離子以及(或)堿金屬氫氧化物，以避免雜質的污染。為了達到上述目的，本專利技術采用了以下的技術方案，即一種微波水熱合成裝置，包括一個提供反應場所的反應容器本體，以及用于測溫與控溫的溫熱電偶，其中，所述的反應容器本體由金屬或部分由金屬制成，且在所述的反應容器的本體的內部還附有可以透過微波的透明介質，在該裝置上還裝配有能夠在反應時提供或取走能量或熱量的輔助加熱/冷卻裝置，在所述的反應容器本體的上部裝設有微波反應能在攪拌的條件下進行的攪拌器。為了達到更好的目的，本專利技術還具有以下的技術特征所述的微波透明介質可置于反應容器本體的底部，上部或側面。所述的反應容器本體的內部上還裝設有內壁。所述的輔助加熱/冷卻裝置裝為采用電直接加熱/冷卻或液體加熱/冷卻方式的加熱/冷卻裝置，該輔助加熱/冷卻裝置設在反應容器本體的內部、外部、或者同時安置在反應容器本體的內、外部。所述的攪拌器設置在反應容器的上部中央位置，并采用機械攪拌器或者電磁攪拌器。一種基于上述微波水熱合成裝置而合成四方相鈦酸鋇的方法，其包括如下的步驟a.將四氯化鈦與氫氧化鋇混合溶液或者水合氧化鈦與氫氧化鋇混合溶液放置于反應容器本體內，并且保證鋇、鈦的摩爾比例大于1；b.加水并調整鈦的起始濃度為0.1-1.5mol/L； c.在微波輸入功率為大于50W，溫度高于200℃的情況下，(攪拌)反應6-24小時，取出烘干后可得到分布窄、無團聚四方相的鈦酸鋇粉體，顆粒粒徑在70-1000nm范圍內可調控。采用本專利技術，反應的規模容易擴大，避免了以往用有機材料制作為容器而不能在較高溫度與壓力條件下長期工作，以及反應容器的容積小，器壁厚，反應規模較小等缺點。加設了加熱/冷卻設備之后，能夠在反應時提供或取走能量或熱量，以滿足在維持反應溫度不變的同時，穩定、控制和(或)調整微波輸入功率，以利于微波水熱反應用于鈦酸鋇的制備。反應在200℃，特別在240℃以上進行，可以在幾個或十幾個小時內，通過控制和調整反應溫度，反應時間，微波輸入功率，反應的組成以及反應前驅物的種類與形態等方法合成分布窄，粒徑在70到1000nm范圍內可控、可調的四方鈦酸鋇。而且合成鈦酸鋇的速度更快，能量利用率更高。本專利技術還避免了以往普通水熱反應只能得到立方相鈦酸鋇而需要在再次在1000℃以上的高溫下煅燒而轉化成四方鈦酸鋇，或者須在反應溶液中加入鹵素離子如氯離子以及(或)堿金屬氫氧化物來合成四方鈦酸鋇，從而造成雜質的污染或由此需大量的水洗去除雜質而引起產物的鋇鈦比(Ba/Ti)低于化學計量(stoichiometry)的缺點。附圖說明圖1是本專利技術的裝置示意圖；圖2是利用水合氧化鈦與氫氧化鋇合成四方相鈦酸鋇的XRD(X-射線衍射)圖；圖3是利用四氯化鈦與氫氧化鋇合成四方相鈦酸鋇的SEM圖。本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種微波水熱合成裝置，包括一提供反應場所的反應容器本體，以及用于測溫與控溫的溫熱電偶，其特征在于，所述的反應容器本體由金屬或部分由金屬制成，且在所述的反映容器的本體上還附有可以透過微波的微波透明介質，在該裝置上還裝配有能夠在反應時提供或取走能量或熱量的輔助加熱／冷卻裝置，在所述的反應容器本體的上部裝設有為微波反應能提供攪拌條件的攪拌器。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：孫偉安，
申請(專利權)人：深圳大學，
類型：發明
國別省市：94[中國|深圳]
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