窄带隙钛酸铋钠-镍钛酸钡纳米铁电单晶材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种窄带隙钛酸铋钠

【技术实现步骤摘要】
窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于铁电材料
，具体涉及一种具有宽光谱吸收的纳米铁电单晶，特别是一种窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]全无机钙钛矿型铁电材料具有优异的铁电、压电和热释电性能，因此在多能量传感和催化等领域中有较大的应用潜力，在工业生产和人们的日常生活中发挥着至关重要的作用。但是铁电材料过大的禁带宽度(2.8
‑
4.0eV)使得它们难以利用太阳光中的可见光和近红外光，这极大限制了铁电材料的光电转换效率。研究学者通过在铁电材料的掺杂特定金属离子的方法中，引入带隙态的结构或者改变材料的导带底和价带顶的位置，从而降低材料的带隙，使得材料在保持原有的铁电和压电性能的条件下，同时具有优异的光电性能，这一特性使得该类材料有机会被应用在多能量催化和传感等领域。研究表明，制备具有纳米单晶结构的铁电材料对提高其多能量转换效率具有显著的作用，主要是因为纳米材料较大的比表面积提供了更多表面反应的活性位点，在微弱扰动条件下能够更容易产生形变来获得更大的压电效应。此外，单晶结构能够提供特定的显露晶面来提高载流子在晶体表面的传输和分离效率，能够提高铁电材料的多能量转换效率。然而，目前常用的方法很难制备得到具有宽光谱吸收的纳米铁电单晶，因此如何同时实现铁电材料的单晶纳米化和带隙调控仍旧是一个难题。
[0003]专利公开号为CN112320858A的一种钛酸铋钠/>‑
镍钛酸钡(NBT
‑
BNT)铁电纳米粉体及其制备方法中，通过利用自蔓延燃烧合成法对钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡进行镍离子的掺杂，获得宽光谱吸收铁电纳米材料，提高材料多能量催化性。但是这种方法主要利用化学反应引发的热量，难以对晶体尺寸和形貌进行调控，因此也无法制备出钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶。研究者发现通过水热法能够得到规整的钛酸铋钠微米方块，过大的尺寸限制了该类材料的能量转化效率；此外，通过水热法合成的钛酸铋钠
‑
钛酸钡材料通常是无定型颗粒，因此单独的钛酸钡掺杂也无法实现钛酸铋钠晶体形貌调控。因此，现有的方法很难制备得到NBT
‑
BNT纳米铁电单晶。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料及其制备方法和应用，从而用于解决现有技术无法合成具有宽光谱吸收的纳米铁电单晶的问题。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的解决方案是：
[0006]作为目的之一，本专利技术提供了一种窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0007](1)、按照通式(1
‑
x)(Na
0.5
Bi
0.5
)TiO3‑
xBa(Ti
0.5
Ni
0.5
)O
2.5
；其中，x的取值范围为
0.01
‑
0.09，选择纳米二氧化钛、氢氧化钡、硝酸镍、硝酸铋中的多种作为原料配料，然后加入到氢氧化钠溶液中，搅拌，得到黄绿色悬浊液；
[0008](2)、将悬浊液转移到聚四氟乙烯内衬中，然后放入到反应釜外衬中进行水热反应，得到混合液；
[0009](3)、将混合液进行离心处理，去除上清液后，用去离子水和无水乙醇多次交替清洗，烘干，得到窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料。
[0010]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(1)中，搅拌的温度为70
‑
90℃，搅拌的时间为4
‑
7h。
[0011]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(1)中，氢氧化钠溶液的浓度为12
‑
20mol/L。
[0012]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(2)中，水热反应的温度为240
‑
300℃，水热反应的时间为12
‑
48h。
[0013]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(3)中，离心的速度为8000
‑
9500rpm，离心的时间为4
‑
6min。
[0014]作为本专利技术的一种优选实施例，步骤(3)中，烘干的温度为60
‑
80℃，烘干的时间为22
‑
25h。
[0015]作为目的之二，本专利技术提供了一种窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料，其由上述的制备方法得到。其中，该窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料的通式为(1
‑
x)(Na
0.5
Bi
0.5
)TiO3‑
xBa(Ti
0.5
Ni
0.5
)O
2.5
；其中，x的取值范围为0.01
‑
0.09。
[0016]作为本专利技术的一种优选实施例，该窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料的晶体结构为钙钛矿结构。
[0017]作为本专利技术的一种优选实施例，该窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料属于单晶纳米方块。
[0018]作为本专利技术的一种优选实施例，该窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料的紫外
‑
可见
‑
近红外光吸收谱中有三个吸收边，分别在1300nm、920nm和530nm处，对应的带隙分别为～0.95eV、～1.50eV和～2.45eV。
[0019]作为目的之三，本专利技术提供了一种上述的窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料在陶瓷电容器粉体和多能量催化领域中的应用。
[0020]由于采用上述方案，本专利技术的有益效果是：
[0021]第一、本专利技术提供的窄带隙铁电材料具有单晶纳米结构，颗粒尺寸大约为100nm，同时实现(100)晶面显露在晶体表面，该晶面能够促进载流子的分离和传输，从而提高材料的能量转换效率。
[0022]第二、本专利技术提供的窄带隙单晶纳米铁电材料对可见光和近红外光有较强的吸收，且禁带宽度降低至2.45eV。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的实施例1、实施例2和实施例3中0.95(Na
0.5
Bi
0.5
)TiO3‑
0.05Ba(Ti
0.5
Ni
0.5
)O
2.5
铁电材料在260℃下高温水热时间为12h、18h和24h得到的铁电材料的X射线衍射图谱。
[0024]图2本专利技术的实施例1、实施例2和实施例3中0.95(Na本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：(1)、按照通式(1
‑
x)(Na
0.5
Bi
0.5
)TiO3‑
xBa(Ti
0.5
Ni
0.5
)O
2.5
；其中，x的取值范围为0.01
‑
0.09，选择纳米二氧化钛、氢氧化钡、硝酸镍、硝酸铋中的多种作为原料配料，然后加入到氢氧化钠溶液中，搅拌，得到悬浊液；(2)、将所述悬浊液转移到聚四氟乙烯内衬中，然后放入到反应釜外衬中进行水热反应，得到混合液；(3)、将所述混合液进行离心处理，去除上清液后，用去离子水和无水乙醇多次交替清洗，烘干，得到窄带隙钛酸铋钠
‑
镍钛酸钡纳米铁电单晶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述搅拌的温度为70
‑
90℃，所述搅拌的时间为4
‑
7h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述氢氧化钠溶液的浓度为12
‑
20mol/L。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述水热反应的温度为240
‑
300℃，所述水热反应的时间为12
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48h。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述离心的速度为8000
‑
9500rpm，所述离心的时间为4
‑
6min。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭益平，肖鸿源，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：