[发明专利]一种钶铁矿型金属铌酸盐纳米结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机材料化学领域，涉及一种钶铁矿铌酸盐的制备方法。

背景技术

钶铁矿结构金属铌酸盐陶瓷材料一般可表达为ANb₂O₆型通用化学式，其中A为二价碱土金属或过渡金属。首先，这类材料在微波频率下具有较高的介电常数和较低的介电损失，因此可在卫星通信领域作为介质谐振器材料而具有巨大应用潜力；其次，部分包含磁性离子的钶铁矿铌酸盐可表现出独特的反铁磁性质；最后，该系列材料还具有优良的电学、电化学、光学以及催化等性质。

目前，制备钶铁矿铌酸盐最主要的方法是固相合成法，即利用五氧化二铌和金属单质、氧化物或碳酸盐为原料，在高温下（≥ 1000℃）进行煅烧而制得。这类方法通常要求多次加热和研磨，且需要气氛保护，所得样品一般具有较大的尺寸，且没有规则的形态。因此，该方法工艺设备复杂，能耗较大，生产成本高。近些年，其他化学制备方法也不断应用于钶铁矿铌酸盐的制备，如：机械化学法、溶胶-凝胶法、共沉淀法等，但这些方法基本上是针对前驱物的均相混合而设计的，要获得最终的钶铁矿铌酸盐产物，仍需要进一步的高温处理过程。因此，探索一种简单、普适的制备方法来合成钶铁矿型铌酸盐系列化合物，尤其是制备其纳米结构，一直以来具有较大的挑战性和重要的研究意义。

发明内容

为了克服铌酸盐传统合成方法中对高温条件的苛求，本发明提出一种在低温条件下制备钶铁矿型金属铌酸盐纳米结构的普适性方法。该方法无需复杂设备，工艺条件简单，易于操作控制，合成成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的。

1）六铌酸氢钾前驱体的制备。将氢氧化钾（KOH）置于镍坩埚中加热熔融，然后加入五氧化二铌（Nb₂O₅），氢氧化钾与五氧化二铌的质量比为3~7:1，待反应完全后，自然冷却至室温，把所得物质溶于水中，过滤去除未溶物，将所得到的溶液利用加热蒸发或低温冷却的方法进行重结晶，过滤后再用乙醇与水的混合溶液洗涤，干燥后可得到前驱体。

2）水热反应。按化学计量比称取可溶性金属盐和步骤1）中所制备的六铌酸氢钾前驱体，分别溶于水，再将两种水溶液在搅拌下混合，然后转移至水热反应釜中，150~200℃恒温密封反应，反应结束后冷却至室温。

3）洗涤处理。将步骤2）中的水热反应产物过滤，用水和乙醇交替洗涤，去除未反应完的离子，干燥后制得钶铁矿金属铌酸盐产物。

本发明步骤2）中所述的可溶性金属盐为镁（Mg）、钙（Ca）、锶（Sr）、钡（Ba）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、锌（Zn）、镉（Cd）、铜（Cu）等的二价碱土金属或过渡金属中的一种。

本发明所制备的金属铌酸盐具有典型的正交相钶铁矿结构，产物由纳米颗粒或以纳米颗粒为基元的多级结构所组成。

本发明所涉及的技术方法具有以下明显优点：1. 本发明使用水热技术，工艺简单，操作方便，生产成本低，且对环境友好；2. 该合成技术可在较低的反应温度下进行；3. 整个反应是在液相中进行，前驱物的混合充分均匀； 4. 该方法对金属铌酸盐系列的制备具有明显的普适性。

附图说明

图1为实施例1样品的X-射线衍射图谱。

图2为实施例1样品的扫描电子显微镜照片。

图3为实施例2样品经800℃退火后的X-射线衍射图谱。

图4为实施例2样品经800℃退火后的扫描电子显微镜照片。

图5为实施例3样品经800℃退火后的X-射线衍射图谱。

图6为实施例3样品经800℃退火后的扫描电子显微镜照片。

图7为实施例4样品的X-射线衍射图谱。

图8为实施例4样品的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合具体的实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护内容并不局限于下列实施例。

实施例1：铌酸锰（MnNb₂O₆）的制备。

1）将10g氢氧化钾置于镍坩埚中加热熔融，然后缓慢加入2g五氧化二铌，反应完全后冷却至室温，将所得物质溶于150mL蒸馏水中，过滤去除未溶物，将所得澄清溶液90℃下加热蒸发得到针状晶体，过滤后用乙醇与水（体积比为1:1）的混合溶液洗涤，干燥后得到六铌酸氢钾前驱体。

2）称取0.6mmol氯化锰，0.2mmol六铌酸氢钾前驱体，分别溶于10mL蒸馏水中。在磁力搅拌下，将氯化锰溶液逐渐滴加到六铌酸氢钾溶液中，形成悬浮液。