功能材料化学

1、钛酸锶基粉体功能材料的合成钛酸锶基粉体功能材料的合成与应用研究进展与应用研究进展汇报人：费明月汇报人：费明月2013.11.252013.11.25汇汇 报报 提提 纲纲 1及意义234研究的背景与意义研究的背景与意义钛酸锶的晶体结构及意义钛酸锶的晶体结构及意义主要合成方法主要合成方法钛酸锶基粉体材料的应用钛酸锶基粉体材料的应用5结束语结束语结束语1研究的背景与意义研究的背景与意义研究背景 钛酸锶是一种用途广泛的功能材料，具有介钛酸锶是一种用途广泛的功能材料，具有介电常数高、介电损耗低、热稳定性好、禁带宽电常数高、介电损耗低、热稳定性好、禁带宽(3. (3. 2eV)2eV)、光催化活性优良等

2、特点。、光催化活性优良等特点。 在实际应用中，钛酸锶常作基体材料，即在实际应用中，钛酸锶常作基体材料，即钛酸锶基功能材料。尤其值得一提的是，其它钛酸锶基功能材料。尤其值得一提的是，其它组分的加入对材料的性能影响非常大，这也就组分的加入对材料的性能影响非常大，这也就为这类材料带来极大的改性空间，也正是这类为这类材料带来极大的改性空间，也正是这类材料产品多、应用广的根本原因。材料产品多、应用广的根本原因。研究意义1研究的背景与意义研究的背景与意义 对于钛酸锶基粉体功能材料而言，其性能主要取对于钛酸锶基粉体功能材料而言，其性能主要取决于在材料制备过程中对产物的粒度、纯度和组分的决于在材料制备过程中对

3、产物的粒度、纯度和组分的有效控制。因此，探索有效的钛酸锶基粉体功能材料有效控制。因此，探索有效的钛酸锶基粉体功能材料的制备方法一直是热点研究方向，尤其是随着现代电的制备方法一直是热点研究方向，尤其是随着现代电子技术的发展，对该类材料的应用不断提出新要求。子技术的发展，对该类材料的应用不断提出新要求。 近年来，随着纳米材料制备工艺的迅速发展，钛近年来，随着纳米材料制备工艺的迅速发展，钛酸锶基粉体功能材料的合成新方法更是层出不穷，又酸锶基粉体功能材料的合成新方法更是层出不穷，又进一步激发了人们的研究兴趣，从而推动了其应用向进一步激发了人们的研究兴趣，从而推动了其应用向更广阔的空间发展。更广阔的空间

4、发展。2钛酸锶的晶体结构及意义钛酸锶的晶体结构及意义结构 钛酸锶属于典型的钙钛矿型晶格格结构，符钛酸锶属于典型的钙钛矿型晶格格结构，符合化学通式合化学通式ABOABO3 3，其中，其中A A代表二价金属离子，代表二价金属离子，B B代代表四价金属离子，它们的化学比是表四价金属离子，它们的化学比是1:1:31:1:3。意义2钛酸锶的晶体结构及意义钛酸锶的晶体结构及意义 钙钛矿晶体结构的意义在于钙钛矿晶体结构的意义在于: :这种结构在不同温度下会这种结构在不同温度下会发生畸变，形成不同的晶系，从而获得各种所需的性能。在发生畸变，形成不同的晶系，从而获得各种所需的性能。在高温时，离子热运动的能量比较

5、高，高温时，离子热运动的能量比较高，B B位离子平均来说处在位离子平均来说处在氧八面体的中心，属于立方晶系氧八面体的中心，属于立方晶系; ;降温时，热运动减弱，降温时，热运动减弱，B B位位离子不能够再维持在中心位置，而是向离子不能够再维持在中心位置，而是向6 6个氧离子中的某一个氧离子中的某一个偏移。通过某个特定温度后将产生结构畸变，由于畸变的个偏移。通过某个特定温度后将产生结构畸变，由于畸变的方向不同可能形成四方晶系、正交晶系或者菱方晶系，同时方向不同可能形成四方晶系、正交晶系或者菱方晶系，同时畸变产生自发偶极矩，成为铁电和反铁电体，具有介电性能畸变产生自发偶极矩，成为铁电和反铁电体，具有

6、介电性能和压电性能。和压电性能。3主要合成方法主要合成方法固相反应合成法固相反应合成法水热合成法水热合成法溶胶溶胶- -凝胶法凝胶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应合成法固相反应合成法比较常用的化学反应途径为比较常用的化学反应途径为: :SrCO3+TiO2SrTiO3+CO2 固相反应合成法的优点是工艺简单、成熟，但固相反应合成法的优点是工艺简单、成熟，但主要缺点是生产过程中需要研磨和高温锻烧，所合主要缺点是生产过程中需要研磨和高温锻烧，所合成的粉体粒度大、粒径分布不均匀，并且容易混入成的粉体粒度大、粒径分布不均匀，并且容易混入杂质，因此，所得粉体的纯度低且性能不稳

7、定，往杂质，因此，所得粉体的纯度低且性能不稳定，往往无法满足高级陶瓷的需要。往无法满足高级陶瓷的需要。拟解决的问题3主要合成方法主要合成方法水热合成法水热合成法(1)(1)酸碱反应机理。反应方程式为酸碱反应机理。反应方程式为: : Ti(OC2 H5)4+6H2OTi(OH)62-+4C2 H5OH+2H+ Ti(OH)62-+Sr2+SrTiO3+3H2O(2)(2)凝胶反应机理。反应方程式为凝胶反应机理。反应方程式为: : Ti(OC2 H5)4+2H2OTiO2(gel) +4C2 H5OH TiO2(gel) +Sr(OH)2SrTiO3+3H2O 与固相反应合成法相比，水热合成法有以

8、下优势与固相反应合成法相比，水热合成法有以下优势: :明明显地降低反应温度和压力显地降低反应温度和压力( (水热反应通常在水热反应通常在200200进行进行););能够以单一反应步骤完成能够以单一反应步骤完成( (不需研磨和焙烧步骤不需研磨和焙烧步骤););很好很好地控制产物的理想配比及结构形态地控制产物的理想配比及结构形态; ;可制备纯相陶瓷材可制备纯相陶瓷材料。料。3主要合成方法主要合成方法溶胶溶胶- -凝胶法凝胶法 溶胶溶胶- -凝胶法的基本思路是以钛酸盐与锶盐凝胶法的基本思路是以钛酸盐与锶盐( (包括锶的包括锶的有机化合物有机化合物) )为原料，以一种有机化合物为鳌合物和一种为原料，以

9、一种有机化合物为鳌合物和一种醇为溶剂来制备均质的溶胶醇为溶剂来制备均质的溶胶- -凝胶，干燥、锻烧数小时，凝胶，干燥、锻烧数小时，便可制得超细钛酸锶粉体。便可制得超细钛酸锶粉体。 溶胶溶胶- -凝胶法优点凝胶法优点: :溶胶溶胶- -凝胶法中所用的原料首先被凝胶法中所用的原料首先被分散在溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短分散在溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平上的均匀性，在形成凝胶时，反应的时间内获得分子水平上的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合; ;由于经过溶由于经过溶液反应步骤，很容

10、易均匀定量地掺入一些微量元素，实现液反应步骤，很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂分子水平上的均匀掺杂; ;与固相反应相比，溶胶与固相反应相比，溶胶- -凝胶法反凝胶法反应容易进行，所需温度较低。应容易进行，所需温度较低。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 微乳液微乳液法法复合氢氧复合氢氧化物媒介化物媒介法法沉淀法沉淀法致谢4钛酸锶基粉体材料的应用钛酸锶基粉体材料的应用压敏材料压敏材料 它的优良性能参数主要表现在它的优良性能参数主要表现在: :非线性系数在非线性系数在3 33535之间，压敏电压之间，压敏电压V V1mA1mA在在3

11、 3250V/mm250V/mm之间可调，介电常之间可调，介电常数数effeff达达10105 5数量级，介电损耗数量级，介电损耗tantan可达可达1010-2-21010-3-3数数量级。量级。 在应用过程中，它还有两个主要特点在应用过程中，它还有两个主要特点: :首先，它首先，它具有压敏和电容性双功能，使用时相当于一只压敏具有压敏和电容性双功能，使用时相当于一只压敏电阻和一只电容器并联效果电阻和一只电容器并联效果; ;其次，它具有其次，它具有ZnOZnO无法无法克服的低压化优势，在低电压领域有比克服的低压化优势，在低电压领域有比ZnOZnO更高的更高的非线性系数和耐浪涌能量。非线性系数和

12、耐浪涌能量。钛酸锶基粉体材料的应用钛酸锶基粉体材料的应用 光催化降解有机物的基本原理是光催化降解有机物的基本原理是: :当半导体氧化当半导体氧化物纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后物纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子，电子从价带跃迁到导带，产生了电子- -空穴对空穴对，空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的，空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的OHOH- -反应生反应生成氧化性很高的成氧化性很高的OHOH自由基，活泼的自由基，活泼的OHOH自由基可以自由基可以把许多难降解的有机物氧化为把许多难降解的有机物氧化为COCO2 2和水等无机物。和水等无机物。光化学

13、电池机理光化学电池机理( (以以SrTiOSrTiO3 3/Pt/Pt电池为例电池为例) )是是: :在光在光的作用下，钛酸锶颗粒的内部产生电子的作用下，钛酸锶颗粒的内部产生电子- -空穴对空穴对，电子紧接着被程递到，电子紧接着被程递到PtPt上，并在上，并在PtPt表面与表面与H H2 2O O反反应放出应放出H H2 2同时，同时，OHOH- -在在SrTiOSrTiO3 3的表面上失去电子放的表面上失去电子放出出O O2 2。4光催化材料光催化材料钛酸锶基粉体材料的应用钛酸锶基粉体材料的应用4热电材料热电材料 纯净的纯净的SrTiOSrTiO3 3是宽禁带绝缘体，并不具有热电性质。是宽禁

14、带绝缘体，并不具有热电性质。氧空位是氧空位是SrTiOSrTiO3 3中的一种本征缺陷，可以在中的一种本征缺陷，可以在SrTiOSrTiO3 3体系中体系中引入电子，相当于引入电子，相当于N N型掺杂。因此，对型掺杂。因此，对SrTiOSrTiO3 3的掺杂改性研的掺杂改性研究多集中在如何提高其作为究多集中在如何提高其作为N N型材料的热电性能。型材料的热电性能。 钛酸锶的优良性能表现在钛酸锶的优良性能表现在: :具有表观介电常数高具有表观介电常数高(10(105 5) )、电阻绝缘率高电阻绝缘率高(10(101010 cm)cm)、温度稳定性高、频率特性、温度稳定性高、频率特性好、色散频率在好、色散频率在10106 6 HzHz以上，这是其他电容器以上，这是其他电容器( (如如BaTiOBaTiO3