基于氯化物熔盐体系合成尖晶石结构钛酸锌的制备方法与流程

1.本发明属于材料科学工程领域，具体地说，本发明涉及一种制作过程简单、纯度高且对环境友好的基于氯化物熔盐体系合成尖晶石结构钛酸锌的制备方法。


背景技术：

2.钛酸锌是一种白色的无机非金属陶瓷材料，其存在三种不同的相结构：立方相钛酸锌zn2ti3o8、六方相偏钛酸锌zntio3及立方相正钛酸锌zn2tio4，在化工催化、环境治理及介电陶瓷等领域得到广泛应用，目前使用较为广泛的是六方相偏钛酸锌zntio3。立方相正钛酸锌zn2tio4具有尖晶石结构，具有良好的物理化学稳定性，可以用于陶瓷材料的合成。在制备钛酸锌时常用氧化锌和氧化钛作为前驱体，将氧化锌与氧化钛前驱体进行均匀混合后制备。此外，立方相正钛酸锌zn2tio4合成的陶瓷对核废燃料中放射性废物(如：镧系氧化物)具有较高的包容率、较低的烧结温度、以及较高的化学稳定性，是一种良好的固化放射性废物的陶瓷体前驱材料。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了提供一种制作过程简单、纯度高且对环境友好的而提供一种基于氯化物熔盐体系合成尖晶石结构钛酸锌的制备方法。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.一种基于氯化物熔盐体系合成尖晶石结构钛酸锌的制备方法，以zno和tio2为主体原料，以kcl或nacl
‑
kcl为熔盐原料，将主体原料的zno和tio2按摩尔比2:1进行混合，再与熔盐原料的kcl或nacl
‑
kcl混合均匀，得到混合粉末，将装有混合粉末的刚玉坩埚放置于马弗炉中烧制一段时间，之后冷却刚玉坩埚至室温，加去离子水溶解熔盐，过滤沉积物，烘干制成待测样品。
6.将主体原料的zno和tio2按摩尔比2:1称取，主体原料与熔盐原料以质量比1:4或1:8称取，得到混合粉末；
7.按实验要求设定马弗炉煅烧温度在900～1000℃；
8.在熔盐反应中，zno和tio2反应时间为2h～4h，烧制温度恒定；
9.当反应完成后，取出坩埚，置空气中逐渐冷却至室温，待坩埚彻底冷却后，加去离子水溶解产物并搅拌1h；
10.对溶解后的产物进行抽滤，使其沉积物和溶液进行分离，用硝酸银试剂检测滤液直至滤液检测不到氯离子为止；
11.烘干过滤沉积物，温度控制在90℃。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.本发明利用粉末原料在高温熔融氯化盐中混合均匀、反应迅速的特点，制备出纳米尺寸、晶体发育良好的钛酸锌粉末，钛酸锌粉末粒径为200nm～300nm，晶体为尖晶石结构。该尖晶石结构zn2tio4具有良好的化学稳定性、导热性和辐射稳定性，可应用于光催化降
解有机化合物、催化剂以及作为基体材料固化处理核废燃料中镧系氧化物。
附图说明
14.图1是本发明实施例1、2、3、4制备的尖晶石结构zn2tio4的xrd图谱；
15.图2是本发明实施例4制备的尖晶石结构zn2tio4的sem图。
具体实施方式
16.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
17.本发明提出以氧化锌和氧化钛为原料，以氯化钾或氯化钠
‑
氯化钾为熔盐体系，将一定比例的zno和tio2与kcl或nacl
‑
kcl混合，在特定温度下保温一段时间，通过严格控制煅烧处理的温度和时间制成尖晶石结构zn2tio4。
18.本发明公开一种基于氯化物熔盐体系合成尖晶石结构钛酸锌的制备方法，该方法将主体原料zno和tio2与熔盐原料kcl或nacl
‑
kcl按一定质量比称量，再混合均匀，得到混合粉末，将混合粉末放置在刚玉坩埚中。按实验要求设定马弗炉温度900～1000℃，将装有混合粉末的刚玉坩埚放置于马弗炉中，整个煅烧过程温度维持不变，待煅烧时间达到2h～4h后完成反应，停止加热。待刚玉坩埚逐渐冷却至室温后，将坩埚放置于大烧杯中，向内加入去离子水至坩埚被淹盖，将大烧杯放置于搅拌器上搅拌1h。之后将大烧杯中的混合溶液进行抽滤，用去离子水冲洗大烧杯，冲洗后混合溶液再过滤，重复2～3。过滤沉积物置于烘箱内90℃烘干，制成样品。
19.本发明采用x射线衍射(xrd)和电子扫描电镜(sem)对熔盐合成的样品进行表征分析，并给出了相对应的理论依据以及实验结果。
20.zno由天津市福晨化学试剂有限公司生产；tio2由天津市天力化学试剂有限公司生产；nacl由天津市光复科技发展有限公司生产；kcl由汕头西陇化工股份有限公司生产。
21.实施例1
22.(1)以zno和tio2为主体原料，以kcl为熔盐介质，称取摩尔比为2:1的zno和tio2，将主体原料与熔盐介质以1:8的质量比置于玛瑙研钵中，通过研磨使其混合均匀，得到混合粉末；
23.(2)将步骤(1)中的混合粉末置于刚玉坩埚中，设定马弗炉为1000℃，当马弗炉达到设定温度后，将带有混合粉末的坩埚放入其中，煅烧2h，得到尖晶石结构zn2tio4粉体；
24.(3)将步骤(2)中带有煅烧产物的坩埚置于500ml大烧杯中，用去离子水溶解煅烧产物，再进行抽滤，用去离子水反复冲洗坩埚和烧杯，冲洗后溶液再过滤，重复2～3次，用硝酸银试剂检测洗涤液直至检测不到氯离子为止；
25.(4)将步骤(3)中洗涤后的尖晶石结构zn2tio4粉体在温度为90℃下烘干，得到粒径尺寸为200nm～300nm的尖晶石结构zn2tio4纳米粉体。
26.实施例2
27.(1)以zno和tio2为主体原料，以kcl为熔盐介质，称取摩尔比为2:1的zno和tio2，将主体原料与熔盐介质以1:4的质量比置于玛瑙研钵中，通过研磨使其混合均匀，得到混合粉末；
28.(2)将步骤(1)中的混合粉末置于刚玉坩埚中，设定马弗炉为1000℃，当马弗炉达
到设定温度后，将带有混合粉末的坩埚放入其中，煅烧4h，得到尖晶石结构zn2tio4粉体；
29.(3)将步骤(2)中带有煅烧产物的坩埚置于500ml大烧杯中，用去离子水溶解煅烧产物，再进行抽滤，用去离子水反复冲洗坩埚和烧杯，冲洗后溶液再过滤，重复2～3次，用硝酸银试剂检测洗涤液直至检测不到氯离子为止；
30.(4)将步骤(3)中洗涤后的尖晶石结构zn2tio4粉体在温度为90℃下烘干，得到粒径尺寸为200nm～300nm的尖晶石结构zn2tio4纳米粉体。
31.实施例3
32.(1)以zno和tio2为主体原料，以kcl为熔盐介质，称取摩尔比为2:1的zno和tio2，将主体原料与熔盐介质以1:8的质量比置于玛瑙研钵中，通过研磨使其混合均匀，得到混合粉末；
33.(2)将步骤(1)中的混合粉末置于刚玉坩埚中，设定马弗炉为900℃，当马弗炉达到设定温度后，将带有混合粉末的坩埚放入其中，煅烧4h，得到尖晶石结构zn2tio4粉体；
34.(3)将步骤(2)中带有煅烧产物的坩埚置于500ml大烧杯中，用去离子水溶解煅烧产物，再进行抽滤，用去离子水反复冲洗坩埚和烧杯，冲洗后溶液再过滤，重复2～3次，用硝酸银试剂检测洗涤液直至检测不到氯离子为止；
35.(4)将步骤(3)中洗涤后的尖晶石结构zn2tio4粉体在温度为90℃下烘干，得到粒径尺寸为200nm～300nm的尖晶石结构zn2tio4纳米粉体。
36.实施例4
37.(1)以zno和tio2为主体原料，以nacl和kcl为熔盐介质，称取摩尔比为1:2的zno和tio2，称取摩尔比为1:1的nacl和kcl，将主体原料与熔盐介质以1:8的质量比置于玛瑙研钵中，通过研磨使其混合均匀，得到混合粉末；
38.(2)将步骤(1)中的混合粉末置于刚玉坩埚中，设定马弗炉为900℃，当马弗炉达到设定温度后，将带有混合粉末的坩埚放入其中，煅烧4h，得到尖晶石结构zn2tio4粉体；
39.(3)将步骤(2)中带有煅烧产物的坩埚置于500ml大烧杯中，用去离子水溶解煅烧产物，再进行抽滤，用去离子水反复冲洗坩埚和烧杯，冲洗后溶液再过滤，重复2～3次，用硝酸银试剂检测洗涤液直至检测不到氯离子为止；
40.(4)将步骤(3)中洗涤后的尖晶石结构zn2tio4粉体在温度为90℃下烘干，得到粒径尺寸为300nm～400nm的尖晶石结构zn2tio4纳米粉体。
41.实例结果分析：
42.通过对熔盐合成的样品进行x射线衍射(xrd)和电子扫描电镜(sem)表征分析，结果表明合成的样品具有典型的尖晶石结构，xrd特征峰明显且尖锐，峰位置与尖晶石结构zn2tio4的峰位置一致，sem表明晶体发育良好，即说明合成的样品为尖晶石结构zn2tio4。图1为本发明实施例1、2、3、4制备的尖晶石结构zn2tio4的xrd图，图2是本发明实施例4制备的尖晶石结构zn2tio4的sem图。
43.本发明公开一种基于氯化物熔盐体系合成尖晶石结构钛酸锌的制备方法，其特征在于，以zno和tio2为主体原料，以kcl或nacl
‑
kcl为熔盐原料，将zno和tio2与kcl或nacl
‑
kcl按一定比例进行混合均匀，然后在恒定温度下维持一定时间，之后再通过冷却过滤烘干，制备成具有尖晶石结构的钛酸锌zn2tio4。本发明采用了成本低廉、无毒无害的原料，操作过程简单、对设备要求不高，在实验室规模即可完成制备。