功能材料化學

1、鈦酸鍶基粉體功能材料的合成鈦酸鍶基粉體功能材料的合成與應(yīng)用研究進展與應(yīng)用研究進展匯報人：費明月匯報人：費明月2013.11.252013.11.25匯匯 報報 提提 綱綱 1及意義234研究的背景與意義研究的背景與意義鈦酸鍶的晶體結(jié)構(gòu)及意義鈦酸鍶的晶體結(jié)構(gòu)及意義主要合成方法主要合成方法鈦酸鍶基粉體材料的應(yīng)用鈦酸鍶基粉體材料的應(yīng)用5結(jié)束語結(jié)束語結(jié)束語1研究的背景與意義研究的背景與意義研究背景 鈦酸鍶是一種用途廣泛的功能材料，具有介鈦酸鍶是一種用途廣泛的功能材料，具有介電常數(shù)高、介電損耗低、熱穩(wěn)定性好、禁帶寬電常數(shù)高、介電損耗低、熱穩(wěn)定性好、禁帶寬(3. (3. 2eV)2eV)、光催化活性優(yōu)良等

2、特點。、光催化活性優(yōu)良等特點。 在實際應(yīng)用中，鈦酸鍶常作基體材料，即在實際應(yīng)用中，鈦酸鍶常作基體材料，即鈦酸鍶基功能材料。尤其值得一提的是，其它鈦酸鍶基功能材料。尤其值得一提的是，其它組分的加入對材料的性能影響非常大，這也就組分的加入對材料的性能影響非常大，這也就為這類材料帶來極大的改性空間，也正是這類為這類材料帶來極大的改性空間，也正是這類材料產(chǎn)品多、應(yīng)用廣的根本原因。材料產(chǎn)品多、應(yīng)用廣的根本原因。研究意義1研究的背景與意義研究的背景與意義 對于鈦酸鍶基粉體功能材料而言，其性能主要取對于鈦酸鍶基粉體功能材料而言，其性能主要取決于在材料制備過程中對產(chǎn)物的粒度、純度和組分的決于在材料制備過程中對

3、產(chǎn)物的粒度、純度和組分的有效控制。因此，探索有效的鈦酸鍶基粉體功能材料有效控制。因此，探索有效的鈦酸鍶基粉體功能材料的制備方法一直是熱點研究方向，尤其是隨著現(xiàn)代電的制備方法一直是熱點研究方向，尤其是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，對該類材料的應(yīng)用不斷提出新要求。子技術(shù)的發(fā)展，對該類材料的應(yīng)用不斷提出新要求。 近年來，隨著納米材料制備工藝的迅速發(fā)展，鈦近年來，隨著納米材料制備工藝的迅速發(fā)展，鈦酸鍶基粉體功能材料的合成新方法更是層出不窮，又酸鍶基粉體功能材料的合成新方法更是層出不窮，又進一步激發(fā)了人們的研究興趣，從而推動了其應(yīng)用向進一步激發(fā)了人們的研究興趣，從而推動了其應(yīng)用向更廣闊的空間發(fā)展。更廣闊的空間

4、發(fā)展。2鈦酸鍶的晶體結(jié)構(gòu)及意義鈦酸鍶的晶體結(jié)構(gòu)及意義結(jié)構(gòu) 鈦酸鍶屬于典型的鈣鈦礦型晶格格結(jié)構(gòu)，符鈦酸鍶屬于典型的鈣鈦礦型晶格格結(jié)構(gòu)，符合化學通式合化學通式ABOABO3 3，其中，其中A A代表二價金屬離子，代表二價金屬離子，B B代代表四價金屬離子，它們的化學比是表四價金屬離子，它們的化學比是1:1:31:1:3。意義2鈦酸鍶的晶體結(jié)構(gòu)及意義鈦酸鍶的晶體結(jié)構(gòu)及意義 鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的意義在于鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的意義在于: :這種結(jié)構(gòu)在不同溫度下會這種結(jié)構(gòu)在不同溫度下會發(fā)生畸變，形成不同的晶系，從而獲得各種所需的性能。在發(fā)生畸變，形成不同的晶系，從而獲得各種所需的性能。在高溫時，離子熱運動的能量比較

5、高，高溫時，離子熱運動的能量比較高，B B位離子平均來說處在位離子平均來說處在氧八面體的中心，屬于立方晶系氧八面體的中心，屬于立方晶系; ;降溫時，熱運動減弱，降溫時，熱運動減弱，B B位位離子不能夠再維持在中心位置，而是向離子不能夠再維持在中心位置，而是向6 6個氧離子中的某一個氧離子中的某一個偏移。通過某個特定溫度后將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)畸變，由于畸變的個偏移。通過某個特定溫度后將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)畸變，由于畸變的方向不同可能形成四方晶系、正交晶系或者菱方晶系，同時方向不同可能形成四方晶系、正交晶系或者菱方晶系，同時畸變產(chǎn)生自發(fā)偶極矩，成為鐵電和反鐵電體，具有介電性能畸變產(chǎn)生自發(fā)偶極矩，成為鐵電和反鐵電體，具有

6、介電性能和壓電性能。和壓電性能。3主要合成方法主要合成方法固相反應(yīng)合成法固相反應(yīng)合成法水熱合成法水熱合成法溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法其他合成方法其他合成方法3主要合成方法主要合成方法固相反應(yīng)合成法固相反應(yīng)合成法比較常用的化學反應(yīng)途徑為比較常用的化學反應(yīng)途徑為: :SrCO3+TiO2SrTiO3+CO2 固相反應(yīng)合成法的優(yōu)點是工藝簡單、成熟，但固相反應(yīng)合成法的優(yōu)點是工藝簡單、成熟，但主要缺點是生產(chǎn)過程中需要研磨和高溫鍛燒，所合主要缺點是生產(chǎn)過程中需要研磨和高溫鍛燒，所合成的粉體粒度大、粒徑分布不均勻，并且容易混入成的粉體粒度大、粒徑分布不均勻，并且容易混入雜質(zhì)，因此，所得粉體的純度低且性能不穩(wěn)

7、定，往雜質(zhì)，因此，所得粉體的純度低且性能不穩(wěn)定，往往無法滿足高級陶瓷的需要。往無法滿足高級陶瓷的需要。擬解決的問題3主要合成方法主要合成方法水熱合成法水熱合成法(1)(1)酸堿反應(yīng)機理。反應(yīng)方程式為酸堿反應(yīng)機理。反應(yīng)方程式為: : Ti(OC2 H5)4+6H2OTi(OH)62-+4C2 H5OH+2H+ Ti(OH)62-+Sr2+SrTiO3+3H2O(2)(2)凝膠反應(yīng)機理。反應(yīng)方程式為凝膠反應(yīng)機理。反應(yīng)方程式為: : Ti(OC2 H5)4+2H2OTiO2(gel) +4C2 H5OH TiO2(gel) +Sr(OH)2SrTiO3+3H2O 與固相反應(yīng)合成法相比，水熱合成法有以

8、下優(yōu)勢與固相反應(yīng)合成法相比，水熱合成法有以下優(yōu)勢: :明明顯地降低反應(yīng)溫度和壓力顯地降低反應(yīng)溫度和壓力( (水熱反應(yīng)通常在水熱反應(yīng)通常在200200進行進行););能夠以單一反應(yīng)步驟完成能夠以單一反應(yīng)步驟完成( (不需研磨和焙燒步驟不需研磨和焙燒步驟););很好很好地控制產(chǎn)物的理想配比及結(jié)構(gòu)形態(tài)地控制產(chǎn)物的理想配比及結(jié)構(gòu)形態(tài); ;可制備純相陶瓷材可制備純相陶瓷材料。料。3主要合成方法主要合成方法溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法 溶膠溶膠- -凝膠法的基本思路是以鈦酸鹽與鍶鹽凝膠法的基本思路是以鈦酸鹽與鍶鹽( (包括鍶的包括鍶的有機化合物有機化合物) )為原料，以一種有機化合物為鰲合物和一種為原料，以

9、一種有機化合物為鰲合物和一種醇為溶劑來制備均質(zhì)的溶膠醇為溶劑來制備均質(zhì)的溶膠- -凝膠，干燥、鍛燒數(shù)小時，凝膠，干燥、鍛燒數(shù)小時，便可制得超細鈦酸鍶粉體。便可制得超細鈦酸鍶粉體。 溶膠溶膠- -凝膠法優(yōu)點凝膠法優(yōu)點: :溶膠溶膠- -凝膠法中所用的原料首先被凝膠法中所用的原料首先被分散在溶劑中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短分散在溶劑中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的時間內(nèi)獲得分子水平上的均勻性，在形成凝膠時，反應(yīng)的時間內(nèi)獲得分子水平上的均勻性，在形成凝膠時，反應(yīng)物之間很可能是在分子水平上被均勻地混合物之間很可能是在分子水平上被均勻地混合; ;由于經(jīng)過溶由于經(jīng)過溶液反應(yīng)步驟，很容

10、易均勻定量地摻入一些微量元素，實現(xiàn)液反應(yīng)步驟，很容易均勻定量地摻入一些微量元素，實現(xiàn)分子水平上的均勻摻雜分子水平上的均勻摻雜; ;與固相反應(yīng)相比，溶膠與固相反應(yīng)相比，溶膠- -凝膠法反凝膠法反應(yīng)容易進行，所需溫度較低。應(yīng)容易進行，所需溫度較低。3主要合成方法主要合成方法其他合成方法其他合成方法其他合成其他合成方法方法 微乳液微乳液法法復(fù)合氫氧復(fù)合氫氧化物媒介化物媒介法法沉淀法沉淀法致謝4鈦酸鍶基粉體材料的應(yīng)用鈦酸鍶基粉體材料的應(yīng)用壓敏材料壓敏材料 它的優(yōu)良性能參數(shù)主要表現(xiàn)在它的優(yōu)良性能參數(shù)主要表現(xiàn)在: :非線性系數(shù)在非線性系數(shù)在3 33535之間，壓敏電壓之間，壓敏電壓V V1mA1mA在在3

11、 3250V/mm250V/mm之間可調(diào)，介電常之間可調(diào)，介電常數(shù)數(shù)effeff達達10105 5數(shù)量級，介電損耗數(shù)量級，介電損耗tantan可達可達1010-2-21010-3-3數(shù)數(shù)量級。量級。 在應(yīng)用過程中，它還有兩個主要特點在應(yīng)用過程中，它還有兩個主要特點: :首先，它首先，它具有壓敏和電容性雙功能，使用時相當于一只壓敏具有壓敏和電容性雙功能，使用時相當于一只壓敏電阻和一只電容器并聯(lián)效果電阻和一只電容器并聯(lián)效果; ;其次，它具有其次，它具有ZnOZnO無法無法克服的低壓化優(yōu)勢，在低電壓領(lǐng)域有比克服的低壓化優(yōu)勢，在低電壓領(lǐng)域有比ZnOZnO更高的更高的非線性系數(shù)和耐浪涌能量。非線性系數(shù)和

12、耐浪涌能量。鈦酸鍶基粉體材料的應(yīng)用鈦酸鍶基粉體材料的應(yīng)用 光催化降解有機物的基本原理是光催化降解有機物的基本原理是: :當半導(dǎo)體氧化當半導(dǎo)體氧化物納米粒子受到大于禁帶寬度能量的光子照射后物納米粒子受到大于禁帶寬度能量的光子照射后，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了電子，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了電子- -空穴對空穴對，空穴與氧化物半導(dǎo)體納米粒子表面的，空穴與氧化物半導(dǎo)體納米粒子表面的OHOH- -反應(yīng)生反應(yīng)生成氧化性很高的成氧化性很高的OHOH自由基，活潑的自由基，活潑的OHOH自由基可以自由基可以把許多難降解的有機物氧化為把許多難降解的有機物氧化為COCO2 2和水等無機物。和水等無機物。光化學

13、電池機理光化學電池機理( (以以SrTiOSrTiO3 3/Pt/Pt電池為例電池為例) )是是: :在光在光的作用下，鈦酸鍶顆粒的內(nèi)部產(chǎn)生電子的作用下，鈦酸鍶顆粒的內(nèi)部產(chǎn)生電子- -空穴對空穴對，電子緊接著被程遞到，電子緊接著被程遞到PtPt上，并在上，并在PtPt表面與表面與H H2 2O O反反應(yīng)放出應(yīng)放出H H2 2同時，同時，OHOH- -在在SrTiOSrTiO3 3的表面上失去電子放的表面上失去電子放出出O O2 2。4光催化材料光催化材料鈦酸鍶基粉體材料的應(yīng)用鈦酸鍶基粉體材料的應(yīng)用4熱電材料熱電材料 純凈的純凈的SrTiOSrTiO3 3是寬禁帶絕緣體，并不具有熱電性質(zhì)。是寬禁

14、帶絕緣體，并不具有熱電性質(zhì)。氧空位是氧空位是SrTiOSrTiO3 3中的一種本征缺陷，可以在中的一種本征缺陷，可以在SrTiOSrTiO3 3體系中體系中引入電子，相當于引入電子，相當于N N型摻雜。因此，對型摻雜。因此，對SrTiOSrTiO3 3的摻雜改性研的摻雜改性研究多集中在如何提高其作為究多集中在如何提高其作為N N型材料的熱電性能。型材料的熱電性能。 鈦酸鍶的優(yōu)良性能表現(xiàn)在鈦酸鍶的優(yōu)良性能表現(xiàn)在: :具有表觀介電常數(shù)高具有表觀介電常數(shù)高(10(105 5) )、電阻絕緣率高電阻絕緣率高(10(101010 cm)cm)、溫度穩(wěn)定性高、頻率特性、溫度穩(wěn)定性高、頻率特性好、色散頻率在好、色散頻率在10106 6 HzHz以上，這是其他電容器以上，這是其他電容器( (如如BaTiOBaTiO3