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      鈮酸鉀的合成、表征及性能研究

      2012-12-21 02:34:46趙德明牟慶平
      化工技術(shù)與開發(fā) 2012年3期
      關(guān)鍵詞:酸鹽鈣鈦礦溶膠

      趙德明,牟慶平,欒 波

      (山東京博控股股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心,山東 濱州 256500)

      鈮酸鉀的合成、表征及性能研究

      趙德明,牟慶平,欒 波

      (山東京博控股股份有限公司技術(shù)開發(fā)中心,山東 濱州 256500)

      相比于PZT等鉛基壓電陶瓷,堿金屬鈮酸鹽陶瓷具有下列特點:介電常數(shù)小,壓電性高,頻率常數(shù)大,密度小,因此多年來常被作為電光材料。鈮酸鉀作為一種典型的鈮酸鹽化合物,具有良好的催化活性、選擇性及穩(wěn)定性,本文系統(tǒng)介紹了鈮酸鉀粉體的性質(zhì),制備方法、表征以及性能研究的現(xiàn)狀。

      鈮酸鉀;制備方法;表征;性能研究

      能源和環(huán)境是與人類社會生存和發(fā)展休戚相關(guān)的兩個重要方面,近年來成為人們廣泛關(guān)注的焦點。許多科研工作者研究發(fā)現(xiàn),光催化在能源轉(zhuǎn)換、環(huán)境保護(hù)方面,具有舉足輕重的地位。Fujishima和Honda[1]于1972年首次發(fā)現(xiàn),光照的TiO2單晶電極光分解水,可持續(xù)地發(fā)生水的氧化還原反應(yīng),并且可以產(chǎn)生氫氣。然而TiO2的光催化反應(yīng)有著苛刻的反應(yīng)條件、較高的制備成本、不易回收再利用而且可見光利用率較低,不利于產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用。最近幾十年內(nèi),為了尋找更高光催化活性的催化劑,科研工作者對大量新型催化材料進(jìn)行了研究,其中鈮酸鹽材料作為一種應(yīng)用廣泛的多功能材料,受到了廣泛關(guān)注,同時,在去除工業(yè)廢氣、汽車尾氣等的氮氧化物和催化降解有機(jī)印染廢水方面有著廣泛應(yīng)用前景。在紫外光或可見光的照射下,鈮酸鉀可完全分解水放出氫氣和氧氣,從而為綠色能源的研制提供了新的方向。然而由于受制于傳統(tǒng)的合成工藝,限制了鈮酸鉀催化劑的應(yīng)用。因而,新的合成途徑、工藝的探索對于鈮酸鉀催化劑走向?qū)嶋H應(yīng)用具有重要意義。

      1 鈮酸鉀簡介

      1.1 鈮酸鉀的性質(zhì)

      鈮酸鹽系無鉛壓電陶瓷[2~3],主要是指堿金屬鈮酸鹽和鎢青銅結(jié)構(gòu)鈮酸鹽兩類壓電陶瓷。在發(fā)現(xiàn)鈦酸鋇陶瓷壓電性后,人們先后合成了NaNbO3、KNbO3、LiNbO3等鈣鈦礦型化合物,這類化合物的通式為 ANbO3(A 為 Na、K、Li)。 PZT 陶瓷由于含有易揮發(fā)的有毒物質(zhì)PbO,不僅造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染,而且容易導(dǎo)致陶瓷中化學(xué)計量比的改變,從而大大降低了工藝和產(chǎn)品的穩(wěn)定性。鈮酸鉀(KNbO3)晶體是20世紀(jì)60年代末發(fā)現(xiàn)的一種鐵電性很強的鈣鈦礦型晶體[4~5],因為其高溫鐵電現(xiàn)象,壓電特性,光電特性,極好的光折射特性和溫和的介電常數(shù)[6~8],低溫?zé)後岆娦?,材料的(n3r/ε)值是 13 pm·V-1,此外,KNbO3具有優(yōu)良的非線性光學(xué)系數(shù) (d31=15 pm·V-1,d33=15 pm·V-1)[9],因此,在集成光學(xué)和超聲波應(yīng)用中是比較常用到的材料。

      鈮酸鉀作為一種多固態(tài)相變的鈣鈦礦鐵電體,具有與鈦酸鋇相似的結(jié)構(gòu)且居里溫度(Tc)約為435℃。從一個較高的溫度降低到室溫,KNbO3經(jīng)歷了一系列的相變換[10]:在438℃左右的時候經(jīng)歷了從立方體到四方結(jié)構(gòu)的變換,在這一變換中,它們?nèi)〈似鹗剂⒎骄О械奈恢茫a(chǎn)生了隨著立方體邊緣發(fā)生的自發(fā)極化;當(dāng)溫度接近234℃時,發(fā)生了第二次相變(從四方結(jié)構(gòu)到正交結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變),處于單元晶胞中的原子被再次取代;在溫度降低至零下10℃時,晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生第三次相變(由正交結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿墙Y(jié)構(gòu))。由于伴隨著多種相變的發(fā)生,從而很難制備出一個較大的純KNbO3晶體。

      1.2 鈮酸鉀復(fù)合體系

      (1)鈮酸鉀鋰晶體(KLN)屬于完全填滿型四方鎢青銅結(jié)構(gòu)的鐵電晶體。鈮酸鉀鈉陶瓷復(fù)合體系 (K0.5Na0.5NbO3) 因 具 有 耦 合 系 數(shù) 高 、理 論 密 度低、居里溫度高、壓電性和機(jī)械性能好等優(yōu)點,被公認(rèn)為是很有前途的無鉛壓電陶瓷。由于K、Na的高溫?fù)]發(fā)性,實驗中很難獲得高致密性的陶瓷,且 K0.5Na0.5NbO3陶瓷具有的介質(zhì)損耗高、穩(wěn)定性差等缺點,也限制了它的應(yīng)用。

      (2)鉭鈮酸鉀復(fù)合體系(KTN)[11]是 KTaO3和KNbO3的完全固溶體,具有優(yōu)良的壓電、電光和非線性光學(xué)特性。魏念[12]通過研究發(fā)現(xiàn)由于溶劑中的異丙醇形成了超臨界流體,混合溶劑熱法可以在較溫和條件下合成鐵電KTN納米材料,從而開辟了一種有效的新途徑。

      (3)KNbO3陶瓷體系 (KNN) 中加入適量Co2O3、Fe2O3、CuO、NiO、Co3O4等,可使其機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和穩(wěn)定性大幅度提高,介電常數(shù)和介質(zhì)損耗會進(jìn)一步降低,性能接近于 PZT.6B,從而在電波濾波器方面有較好的應(yīng)用前景。同樣,可在KNbO3中 可 添 加 第 二 組 分 如 Mn、Ce、Fe、Ru、Eu、Bi等離子[13],從而使具有層狀結(jié)構(gòu)的鈮酸鉀陶瓷體系壓電性能和致密性更好,介電常數(shù)變小。

      2 鈮酸鉀的制備方法簡介

      鈮酸鉀主要是通過水熱合成法[14~18],溶膠-凝膠法[19~21],聚合配合物法(PCmethod)[22],固態(tài)反應(yīng)合成法[23],以及其它反應(yīng)法[24~25]等制備的。

      2.1 水熱合成法

      水熱合成法能夠在堿性溶液中得到鈣鈦礦產(chǎn)物,將Nb2O5和KOH溶液置于高壓爐中作為原材料可以得到KNbO3粉末,其中高壓爐中的內(nèi)膽為聚四氟乙烯材料,以便更好地抵御高堿性溶液。KOH不僅僅是鉀的來源,而且作為在堿性條件下化學(xué)反應(yīng)的硬化劑。Lu等通過實驗發(fā)現(xiàn),在較低濃度KOH下,KOH無法與Nb2O5發(fā)生反應(yīng)制備純相KNbO3,然而伴隨著KOH濃度的升高,Nb2O5能夠較好地溶于KOH溶液中,因此更易于KNbO3的生成;同時水熱反應(yīng)中Nb2O5量的多少同樣能夠影響KNbO3粉體的尺寸和形態(tài)。王世平等通過研究發(fā)現(xiàn)鉀鈮化學(xué)計量比及反應(yīng)溫度的高低是水熱合成鈮酸鉀粉體的關(guān)鍵因素,當(dāng)鉀鈮比大于4∶1時能夠制備出正交晶相的鈮酸鉀微晶。由此可見,水熱合成法有其不可忽視的如低溫高壓、KOH濃度大、反應(yīng)時間長等缺點。

      2.2 溶膠-凝膠法

      采用了鈮的醇鹽作為鈮源的溶膠凝膠法,能夠制備復(fù)雜的氧化物粉末和薄膜。此法雖然能夠制備KNbO3晶體,但焙燒溫度卻必須高于600℃來分解醇鹽和消耗殘余碳。由于醇鹽的殘余,合成的陶瓷粉末包含了一定量的次生物相(K4Nb6O17),從而影響了粉體的結(jié)晶度和形態(tài)。Tanaka等通過復(fù)雜的回流過程和900℃下的燒結(jié),用乙氧基鉀以及鈮鹽成功制備單相的微米尺寸的KNbO3粉末。雖然他們成功消除了第二相的存在,但卻不能很好地控制顆粒的尺寸和形態(tài)。此外,溶膠凝膠法使用了極不穩(wěn)定的醇鹽,從而使該反應(yīng)和操作都必須在干燥的氮氣氛圍中進(jìn)行。

      溶膠-凝膠法原料價格比較昂貴且大都為有害有機(jī)物,反應(yīng)大多需要在隔絕氧氣和水的條件下進(jìn)行且需要較長的反應(yīng)時間,不易于控制反應(yīng)條件,在干燥過程中會逸出許多氣體及有機(jī)物。

      2.3 聚合配合物法(PC method)

      通過以羥基羧酸融合像檸檬酸鹽類的鈮離子及鉀鹽為原料,加入一定量的乙二醇聚合形成均相的溶膠,經(jīng)過攪拌、加熱、酯化、焙燒,在一個較高的溫度下獲得了KNbO3粉末。作為原材料之一,檸檬酸在該方法中是過量的,因此在焙燒之后聚合溶膠的損失達(dá)到了90%,直到焙燒溫度達(dá)到700℃后,我們才能夠得到純凈的KNbO3粉末。在一些情況下,甚至高達(dá)900℃。這一方法具有了傳統(tǒng)溶膠-凝膠法的所有優(yōu)點,它不僅不需要昂貴的金屬醇鹽而且能夠避免相應(yīng)的水解問題。然而,乙二醇的用量也在很大程度上影響到了溶膠的穩(wěn)定性。與此同時,反應(yīng)中的高溫灼燒也成為其在應(yīng)用中的一大瓶頸。

      2.4 傳統(tǒng)固態(tài)反應(yīng)合成法

      固態(tài)反應(yīng)合成法是制備鈮酸鹽粉體較常用的一種方法。通過傳統(tǒng)的方法制備高純度的KNbO3陶瓷是非常困難的。其中的一個主要原因是K2O在高于800℃時是易于揮發(fā)的,這主要是因為KNbO3晶體的熔點為1050℃,在較高的反應(yīng)溫度下K2O會因為其蒸氣壓增大,有著較嚴(yán)重?fù)]發(fā),而且它會隨著燒結(jié)環(huán)境中濕度的變化從而加速其在系統(tǒng)中的消失,從而導(dǎo)致晶格中存在大量的K缺失,進(jìn)而影響鈮酸鉀的各項物理性能。同時,考慮到K2CO3粉末的易吸水性,在稱量過程中要考慮到原料的水汽含量是十分重要的。Choi等利用固相反應(yīng)法制備出高反應(yīng)活性的KNbO3復(fù)合物。然而傳統(tǒng)固相也有著其不可忽視的缺點:原料混合不均導(dǎo)致的反應(yīng)不完全,常常混有雜相導(dǎo)致純度不高,且反應(yīng)溫度高生產(chǎn)出的粉體顆粒較大,粒度及組成分布不均勻。

      2.5 其它反應(yīng)合成法

      Muthurajan等以 NH3·H2O處理 NbF得到的Nb(OH)5作為鈮源,研究發(fā)現(xiàn)在較低溫度下(<400℃)可制備出非純相KNbO3粉體。雖然這一方法在濕化學(xué)技術(shù)中較為成功,但是我們發(fā)現(xiàn),在700℃的高溫下焙燒后合成的粉末中仍包含第二物相,并且通過X-射線粉末衍射數(shù)據(jù)來判斷時,鈣鈦礦相也呈現(xiàn)出一種低結(jié)晶度。Kakimoto等采用硝酸鉀和純度為99.9%的Nb2O5為原料且分別作為K和Nb的來源,得到了KNbO3粉末。首先,C6H5O7K3·H2O粉末在室溫下溶于蒸餾水形成均一的鉀源溶液,Nb2O5首先在熱水浴中加熱24h,隨后溶于最少量的HF溶液中,從而形成了Nb源溶液。然后,鈮源溶液與鉀源溶液按照摩爾比進(jìn)行混合,隨后加入乙醇從而形成了KNbO3先驅(qū)體。這一先驅(qū)體在500~600℃的范圍內(nèi)熱處理6h,消除有機(jī)碳的存在,從而獲得微小的KNbO3粉體。

      在上面所提到KNbO3粉末的制備方法中,大多是關(guān)注方法的改變或輔助設(shè)備的使用,然而我們是通過改變鈮源或鉀源,探索一種在較低溫度下、較短時間內(nèi),能夠制備出單相的納米晶體KNbO3粉末的方法。

      3 鈮酸鉀的表征

      3.1 紅外光譜分析(FT-IR)

      鐘志成等通過水熱法合成的KNbO3在600~800 cm-1處出現(xiàn)了一個吸收帶如圖1所示,經(jīng)分析得知這一吸收帶可能為Nb-O鍵構(gòu)成的NbO6氧八面體的特征吸收,可歸屬于υ3形變振動模式。然而,同時發(fā)現(xiàn)該處的吸收峰發(fā)生了一定程度的寬化,這一現(xiàn)象可能是由于晶粒尺寸進(jìn)入納米量級,粒徑尺寸的分布效應(yīng)和大的比表面引起的表面效應(yīng),從而導(dǎo)致了Nb-O鍵紅外吸收帶的寬化。

      圖1 KNbO3粉體的紅外光譜Fig.1 IR spectrum of KNbO3 powders

      3.2 X-射線衍射分析(XRD)

      室溫下KNbO3晶體為斜方晶系,晶胞參數(shù)為a =5.695?、b =3.973? 和 c =5.721?, 空 間 群 為Bmm2。其結(jié)構(gòu)如圖2。

      圖2 室溫下KNbO3的晶體結(jié)構(gòu)Fig.2 Crystal structure of KNbO3 at room temperature

      3.3 掃描電鏡分析(SEM)

      Pribo sˇi cˇ等采用溶膠凝膠法合成了大約厚50 nm、長10μm的納米針狀KNbO3粉體,如圖3。

      圖3 KNbO3納米線的掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of the KNbO3 nanoneedles

      3.4 紫外光譜分析(UV)

      Ding等通過水熱法制備的KNbO3納米線紫外光譜如圖4,由圖可知能帶約為3.2eV,略高于KNbO3納米鍋的能帶3.14,這一不同可能是由于量子尺寸效應(yīng)的影響,較小的晶體尺寸易于發(fā)生光學(xué)吸收的藍(lán)移,從而擁有較高的能量帶。

      圖4 KNbO3納米線的紫外-可見吸收光譜Fig.4 UV-visible absorption spectra of KNbO3 nanowires

      4 鈮酸鉀的催化性能

      4.1 光催化分解水

      Ding等在實驗中發(fā)現(xiàn)通過水熱法制備的鈣鈦礦型KNO3納米線較立方體型KNO3晶體以及KNO3粉末有著較強的光催化分解水的能力。實驗結(jié)果表明在較高的導(dǎo)帶能級下,光催化反應(yīng)會有較高的活性,同時用氣相色譜分析檢測反應(yīng)生成的H2和O2的產(chǎn)量。Choi等研究發(fā)現(xiàn),在KNbO3上附著一定量的Ni會大大提高H2的產(chǎn)率。層狀鈣鈦礦型氧化物具有較大的層間距離,成為H2和O2產(chǎn)生及逸出的通道,從而導(dǎo)致光催化能力增強。當(dāng)光照射到以NiO為共催化劑的層狀鈣鈦礦型氧化物K4Nb6O17上時,能夠在層內(nèi)產(chǎn)生光生電子空穴對,電子與水在層間生成H2,空穴與水在另一層間生成O2,H2和O2分別在不同的層間生成,避免了由于反應(yīng)點太近造成的氫氧復(fù)合,提高了H2的生成率。袁堅等[26]通過對應(yīng)的層間離子交換、硫化處理等,高溫焙燒合成了有良好的光解水特性和光譜利用率的層狀 K4Nb6O17/Cd1-xZnxS 納米復(fù)合材料。

      4.2 光催化降解有機(jī)污染物

      鈮酸鹽復(fù)合氧化物由于其獨特的電磁性質(zhì)和氧化還原活性,可以在一定波長的光照下對有機(jī)污染物進(jìn)行有效催化降解。研究發(fā)現(xiàn),KNb3O8[27]、K2Nb4O11[28]和K4Nb6O17[29]均可在紫外光照射下催化降解酸性紅G,光催化降解率隨著酸性紅G初始溶液濃度的增加而下降,隨催化劑量的增加而提高。在偏酸性和偏堿性條件下,K4Nb6O17光催化降解酸性紅3B的效率較高[30],實驗證明催化劑具有較高選擇性、活性以及較長的使用壽命。然而,鈮酸鉀的制備大多是采用高溫固相合成法,因而制備的催化劑純度不高且活性較低[31]。何杰等[32]通過采用Ag+和Ni2+的離子交換對高溫固相法進(jìn)行了改進(jìn),進(jìn)而合成了鈦鈮酸鉀鹽。研究發(fā)現(xiàn)在紫外光輻射下,這一鈦鈮酸鉀鹽可以高效催化氧化DMS和EM。

      5 結(jié)論

      鈮酸鉀粉體主要是通過固相法得以制備的。傳統(tǒng)固相法普遍采用五氧化二鈮與碳酸鉀為原料進(jìn)行熱分解反應(yīng),然而由于五氧化二鈮不易溶于水,傳統(tǒng)的機(jī)械混合容易導(dǎo)致混合不均勻且焙燒溫度過高,不易制備高純相的鈮酸鉀的粉體且顆粒尺寸較大,結(jié)晶度較低。目前,鈮酸鉀主要應(yīng)用于光催化分解水,為氫能源的研究和應(yīng)用提供了大量的具有現(xiàn)實意義的理論依據(jù)和儲備。采用多種途徑,如通過減小晶粒尺寸、摻雜過渡金屬離子等對催化劑進(jìn)行改性以及與其它技術(shù)相結(jié)合等,來提高光催化效率是非常必要的。

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      [31] 林波濤.鈮酸鹽類納米晶材料的制備與表征[D].青島:中國海洋大學(xué),2008.

      [32] 何杰, 劉娟, 鄔成彪.Ag+、Ni2+改性復(fù)合鈦鈮酸鉀鹽對二甲基硫和乙硫醇吸附與光催化氧化研究[J].石油與天然氣化工,2009, 38(5):375-378.

      Synthesis,Characterization and Properties of Niobium Potassium

      ZHAODe-ming,MUQing-ping,LUANBo
      (Technological Development Center,Shandong Chanbroad Holding Co., Ltd., Binzhou 256500, China)

      Compared to PZT and other lead-based piezoelectric ceramics,alkali metal niobate ceramics were applied to electro-optic materials over the years by having the following characteristics such as a small dielectric constant, high frequency piezoelectric constant, small density.Potassium niobium as a typical compound has a good catalytic activity, selectivity and stability, this system describes the nature of potassium niobium powder,preparation, characterization and properties.

      potassium niobium;preparation;characterization;properties

      TQ 135.1+2

      A

      1671-9905(2012)03-0023-05

      趙德明(1984-),男,山東蓬萊人,主要從事催化材料研究,電話:18265755778;Email:zhaodeming1001@163.com

      2011-12-02

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