*張波 萬洋 曾開文 柏景榮 王朝廷 張江江
(貴州紅星發展股份有限公司 貴州 561201)
隨著科技的不斷發展,先進材料科學成為了研究的熱點領域。其中,高純碳酸鋇因其獨特的物理和化學性能,在先進材料科學中具有廣泛的應用潛力。然而,如何制備出具有高純度、良好晶體結構的高純碳酸鋇成為研究的重點。本文通過對多種制備方法的比較,探討了高純碳酸鋇的制備過程及其在先進材料科學中的應用。
碳酸鋇的制備方法主要有液相沉淀法、微乳液法、低溫固相合成法、模板法、超聲波化學法、微波輔助合成法、超重力法。當前制備高純碳酸鋇的方法存在一定的局限性,如工藝復雜、合成轉化率不高、原料利用率低等問題。存在的問題主要有工藝復雜、合成轉化率不高、原料利用率低、導致資源浪費及制備過程中環境污染。針對上述問題,本研究擬采用以下方法進行解決:優化制備工藝、簡化流程、降低副產物產生、提高合成轉化率、提高原料利用率、探索綠色制備方法及降低環境污染等。
實驗所需的主要材料包括碳酸鈉、氫氧化鋇、鹽酸等。碳酸鈉純度≥99.8%;氫氧化鋇純度≥98%;鹽酸級別為CP級。
實驗儀器包括:磁力攪拌器為上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司生產的MYP19-2A型;粒度分析儀為珠海歐美克儀器有限公司的NS-90Z型;X射線衍射儀(XRD)為德國布魯克公司生產的D8 ADVANCE型。
本文采用了液相沉淀法、微乳液法、低溫固相合成法、模板法、超聲波化學法、微波輔助合成法、超重力法、溶劑萃取法和鹽酸法等多種制備方法。
①微波輔助合成法
原料的預處理,將碳酸鈣和碳酸鈉分別干燥至恒重,粉碎至適當粒度,平均粒徑D50控制10μm;將碳酸鈉和碳酸鈣按照質量比為1.05:1的比例進行混合均勻;將混合物加入溶劑中,混合物與溶劑的比例為1:1,攪拌均勻后放入微波合成儀進行反應,微波的溫度為250℃,微波功率為550W。反應結束后,將產物分離、洗滌、真空干燥。工藝流程如圖1所示。
圖1 微波輔助合成工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of microwave-assisted synthesis process
②低溫固相合成法
將碳酸鈣、氧化鋇、碳酸鈉按照1:0.5:1.05的混合均勻;將混合好的原料粉末在50℃條件下進行固態反應,生成碳酸鋇。經分離與純化得到產品。工藝流程如圖2所示。
圖2 低溫固相合成工藝流程示意圖Fig.2 The diagram of low temperature solid state synthesis process
③液相沉淀法
配制原料溶液,根據所需的碳酸鋇性能,配制合適的鋇離子和碳酸根離子的溶液;通過調節pH值為8.5±0.1。進行沉淀反應,將溶液中的鋇離子和碳酸根離子在45℃下反應,生成碳酸鋇沉淀;分離與純化,將得到的碳酸鋇沉淀與反應溶液分離,通過洗滌、干燥等步驟進行純化。工藝流程如圖3所示。
圖3 液相沉淀法工藝流程示意圖Fig.3 The diagram of liquid precipitation process
④微乳液法
將氫氧化鈉、油酸、水、環己烷和乙醇混合均勻后,混合質量比為1:0.2:1:0.2:0.1,加入混合液質量分數為50%的碳酸氫銨水溶液,形成碳酸鹽微乳液;將氫氧化鈉、油酸、水、環己烷和乙醇混合均勻后,加入質量分數為50%的硝酸鋇水溶液,形成鋇鹽微乳液;室溫下,將得到的碳酸鹽微乳液緩慢加入得到的鋇鹽微乳液中進行完全反應;經離心分離、洗滌及干燥最終得到納米碳酸鋇粉體。工藝流程如圖4所示。
圖4 微乳液法工藝流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of microemulsion process
⑤模板法
將硝酸鋇或氯化鋇溶解于水中,得到鋇源溶液;將碳酸氫鈉或碳酸鈉溶解于水中,得到碳酸鹽溶液;將鋇源溶液與碳酸鹽溶液混合,并在攪拌下加入模板溶液,使鋇離子與碳酸根離子在模板上發生沉淀反應;經離心分離、洗滌及干燥后得到碳酸鋇粉末。工藝流程如圖5所示。
圖5 模板法工藝流程示意圖Fig.5 Process flow diagram of template method
⑥超聲波化學法
將硝酸鋇或氯化鋇固體溶解于水中,得到鋇源溶液;將碳酸氫鈉或碳酸鈉固體溶解于水中,得到碳酸鹽溶液。將鋇源溶液和碳酸鹽溶液混合,在超聲波輻射下進行反應,得到碳酸鋇沉淀物。經離心分離、洗滌及干燥后得到碳酸鋇粉末。工藝流程如圖6所示。
圖6 超聲波化學法工藝流程示意圖Fig.6 Schematic diagram of ultrasonic chemical process
⑦超重力法
將硝酸鋇或氯化鋇固體溶解于水中,得到鋇源溶液;將碳酸氫鈉或碳酸鈉固體溶解于水中,得到碳酸鹽溶液。超重力反應,將鋇源溶液和碳酸鹽溶液混合,在超重力條件下進行反應,得到碳酸鋇沉淀物。將沉淀物進行離心分離,收集沉淀物。工藝流程如圖7所示。
圖7 超重力法工藝流程示意圖Fig.7 The diagram of high gravity process flow
通過對比實驗結果,發現微波輔助合成法得到的高純碳酸鋇具有較好的晶體結構和純度。平均粒徑D50如圖8所示。
圖8 各工藝方法下樣品的平均粒度對比結果Fig.8 The average particle size of samples under each process was compared
采用XRD測試各工藝條件下制備樣品的晶粒尺寸,如圖9所示。
圖9 各工藝方法下樣品的晶粒尺寸對比結果Fig.9 The results of grain size comparison of the samples under each process
微波輔助合成法作為一種綠色、高效的合成方法,在材料科學領域得到廣泛關注。本研究分析了影響產物純度的因素,并優化了工藝條件[1]。經測試平均粒徑D50在1μm左右。采用XRD進行測試并判定產品為碳酸鋇粉末,其晶粒尺寸為15nm。
低溫固相合成法是指在低溫條件下(通常低于100℃),通過固態反應生成碳酸鋇。避免了高溫燒結過程中產生的污染和能耗問題[2]。
沉淀法是利用溶液中鋇離子(Ba2+)和碳酸根離子(CO32-)之間的反應,生成碳酸鋇沉淀。通過調節溶液的pH值、反應溫度、離子濃度等條件,在溫度110~120℃,壓力為1.8MPa的情況下,得到晶粒尺寸20nm的鈦酸鋇粉體[3]。
微乳液法有利于保持碳酸鋇粒子的穩定性,可以實現對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌的有效調控[4]。
模板法有利于保持碳酸鋇粒子的穩定性,利用模板的特性,可以實現對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌的有效調控,有利于實現產業化生產[5]。
超聲波化學法具有反應速度快的優點,超聲波的高能量使反應速率顯著提高,縮短了制備時間。超聲波法能夠實現對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌有效調控[6]。
超重力法反應速度快,反應速率顯著提高。反應條件溫和,能夠在較低溫度下進行反應,有利于保持碳酸鋇粒子的穩定性[7]。
高純碳酸鋇在先進材料科學中的應用主要包括:
碳酸鋇(BaCO3)作為一種廣泛應用于化工、建材、冶金、陶瓷等領域的礦物原料,因其高純度、良好的物理性能和化學性能而受到關注[8-9]。
鋰離子電池因具有充放電速度快、能量密度高等優點,已成為目前新能源汽車和便攜式電子設備等領域的主要能源來源[10-11]。
催化劑和催化劑載體在化學反應中起著至關重要的作用,可以提高反應速率,降低反應活化能,從而實現高效、綠色和可持續的化學過程[12-13]。
碳酸鋇具有良好的光學性能、電子性能和磁性。在光學領域,碳酸鋇晶體具有較高的折射率和光損傷閾值,可應用于光學元件和光學存儲介質[14]。
高純碳酸鋇在先進材料科學中的應用研究涉及多個領域。其優良的物理、化學和生物性能使得高純碳酸鋇成為眾多高性能材料的重要原料。