一种氮掺杂铁酸铋纳米粉体的制备方法

摘要

本发明公开了一种氮掺杂铁酸铋纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：(1)按摩尔数1:1称量的五水硝酸铋和九水硝酸铁分别溶于稀硝酸中，加入酒石酸和尿素，搅拌溶解，得到溶液；(2)将溶液在55～65℃油浴搅拌下预热1～3h，然后在105～115℃下充分搅拌反应直到完全蒸干形成干凝胶；(3)将干凝胶研磨成粉末，在马弗炉于300～500℃预烧1～3h，在600～800℃烧结0.5～2h，随炉冷却；(4)将烧结后的粉末投入稀硝酸溶液中搅拌1～3h，用去离子水反复冲洗并抽滤，在60～100℃下真空干燥。本发明的产品整体上保持铁酸铋结构不变的同时出现铁磁性。

说明书

技术领域

本发明涉及具有铁磁和铁电两种特性的多铁性材料领域，特别涉及一种氮 掺杂铁酸铋纳米粉体的制备方法。

背景技术

近年来，多铁性材料作为最具有应用前景的新型材料之一而引起了材料和 凝聚态物理领域研究者们的极大兴趣。由于多铁性材料将磁性材料和铁电材料 结合起来，在器件设计方面有了一个新的自由度。因此，多铁性材料在多个领 域展现出实际应用的前景。在众多单相多铁性材料中，铁酸铋(BiFeO₃)是目 前研究最热门的材料之一。它是一种典型的多铁性材料，具有较高的铁磁转变 温度T_N～643K和铁电转变温度Tc～1103K，是目前唯一一种在常温下同时具 有铁电性和寄生弱铁磁性的单相多铁性材料。

目前，BiFeO₃中存在较大的漏电流和螺旋磁结构导致的弱磁性，成为 BiFeO₃进入实际应用的主要障碍。改善BiFeO₃性能的主要手段有生长薄膜和化 学掺杂。化学掺杂通常选择不同大小的离子对BiFeO₃的A位和B位进行替代， 相当于向原来的晶格中引入一个化学压力，可以使BiFeO₃的晶格发生畸变，从 而提高材料的铁电性和铁磁性。但是对于O位的掺杂替代研究并不多。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种氮掺杂 铁酸铋纳米粉体的制备方法，整体上保持BiFeO₃结构不变的同时出现铁磁性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种氮掺杂铁酸铋纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：

(1)按摩尔数1:1称量适量的五水硝酸铋和九水硝酸铁分别溶于稀硝酸中， 加入酒石酸和尿素，搅拌溶解，得到溶液；

所述尿素与溶液中Fe³⁺离子的摩尔比为(0.5～1.2):1；

(2)将步骤(1)得到的溶液在55～65℃油浴搅拌下预热1～3h，然后再升 温至105～115℃下充分搅拌反应直到完全蒸干形成干凝胶；

(3)将干凝胶研磨成粉末，在马弗炉升温至300～500℃预烧1～3h，再升 温至600～800℃烧结0.5～2h，然后随炉自然冷却；

(4)将烧结后的粉末投入稀硝酸溶液中搅拌清洗1～3h，然后用去离子水 反复冲洗并抽滤，最后在60～100℃下真空干燥即得氮掺杂的铁酸铋纳米粉末。

步骤(1)所述酒石酸与溶液中Fe³⁺离子的摩尔比为1:1。

步骤(1)所述稀硝酸的浓度为1M/L。

步骤(4)所述稀硝酸的浓度为1M/L。

步骤(3)所述升温至300～500℃，具体为：

从室温按照每分钟5～10℃升温至300～500℃。

步骤(3)所述升温至600～800℃，具体为：

按照每分钟5～10℃的速度升温至600～800℃。

本发明在溶胶凝胶法使金属离子和酒石酸发生络合反应形成溶胶的基础 上，加入尿素均匀溶解于其中，最后形成富含氮元素的均匀的凝胶体；合理控 制凝胶化的温度和时间防止尿素水解，经过干燥并合理控制煅烧温度和时间， 使氮源分解并充分溶入到铁酸铋结晶成相的过程中，得到氮掺杂的铁酸铋粉体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明首次在溶胶凝胶的基础上实现了氮在铁酸铋晶格中部分替代 氧。

(2)本发明可以避免通常在铋位或铁位上掺杂替代可能引起的铁电-顺电式 相变，通过氧位替代尽可能少地影响铁酸铋原有的强铁电结构。

(3)本发明通过氮掺杂，使铁酸铋在整体晶体结构不变的同时因掺杂诱发 的局部畸变产生铁磁性。

附图说明

图1为实施例1所得的氮掺杂铁酸铋和纯铁酸铋纳米粉末的X射线衍射图。

图2为实施例2所得的氮掺杂铁酸铋和纯铁酸铋纳米粉末X射线光电子能 谱(XPS)。

图3为实施例3所得的氮掺杂铁酸铋和纯铁酸铋纳米粉末的磁滞回线。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不 限于此。

实施例1

按摩尔比1:1分别称量1.213g五水硝酸铋和1.01g九水硝酸铁溶于50ml 稀硝酸中；然后加入50ml去离子水稀释，最后得到的混合溶液中Fe³⁺的浓度 约为0.025mol/L，然后按与Fe³⁺离子为1:1的摩尔比加入酒石酸，最后按化与 Fe³⁺离子为1.2:1的摩尔比在上述溶液中加入尿素；将所得溶液在55℃油浴搅 拌下预热1h，然后再升温至105℃下充分搅拌反应直到完全蒸干形成干凝胶； 将干凝胶研磨成粉末，在马弗炉中300℃下预烧2h，再升温至600℃烧结1h， 然后随炉自然冷却；将烧结后的粉末投入浓度为1M/L的稀硝酸溶液中搅拌清 洗1h，然后用去离子水反复冲洗并抽滤，最后在80℃下真空干燥即得氮掺杂 的铁酸铋纳米粉末。

根据本实施例的产物的XPS谱，通过计算可以得出样品的组成为 BiFeO_1.8N_1.2。图1为本实施例的产物的XRD谱图，可以看出同纯铁酸铋相比， 氮掺杂后样品的结构没有发生变化。本实施例的产物的经测试磁滞回线，证实 呈现弱磁性。

实施例2

按摩尔比1:1分别称量1.213g五水硝酸铋和1.01g九水硝酸铁溶于50ml 稀硝酸中；然后加入50ml去离子水稀释，最后得到的混合溶液中Fe³⁺的浓度 约为0.025mol/L，然后按与Fe³⁺离子为1:1的摩尔比加入酒石酸，最后按化与 Fe³⁺离子为0.9:1的摩尔比在上述溶液中加入尿素；将所得溶液在60℃油浴搅 拌下预热1.5h，然后再升温至110℃下充分搅拌反应直到完全蒸干形成干凝胶； 将干凝胶研磨成粉末，在马弗炉中350℃下预烧2h，再升温至650℃烧结1h， 然后随炉自然冷却；将烧结后的粉末投入浓度为1M/L的稀硝酸溶液中搅拌清 洗1h，然后用去离子水反复冲洗并抽滤，最后在90℃下真空干燥即得氮掺杂 的铁酸铋纳米粉末。

图2为所得产物的XPS谱，从图2可以看到掺杂产物发现了N的特征峰(图 中虚线框内)，通过计算可以得出样品的组成为BiFeO_2.1N_0.9。本实施例的产物的 XRD谱图与实施例1相似，可以看出同纯铁酸铋相比，氮掺杂后样品的结构没 有发生变化。本实施例的产物的经测试磁滞回线，证实呈现弱磁性。

实施例3

按摩尔比1:1分别称量1.213g五水硝酸铋和1.01g九水硝酸铁溶于50ml 稀硝酸中；然后加入50ml去离子水稀释，最后得到的混合溶液中Fe³⁺的浓度 约为0.025mol/L，然后按与Fe³⁺离子为1:1的摩尔比加入酒石酸，最后按化与 Fe³⁺离子为0.5:1的摩尔比在上述溶液中加入尿素；将所得溶液在65℃油浴搅 拌下预热2h，然后再升温至110℃下充分搅拌反应直到完全蒸干形成干凝胶； 将干凝胶研磨成粉末，在马弗炉中400℃下预烧2h，再升温至750℃烧结2h， 然后随炉自然冷却；将烧结后的粉末投入浓度为1M/L的稀硝酸溶液中搅拌清 洗1.5h，然后用去离子水反复冲洗并抽滤，最后在110℃下真空干燥即得氮掺 杂的铁酸铋纳米粉末。

根据本实施例的产物的XPS谱，通过计算可以得出样品的组成为 BiFeO_2.5N_0.5。本实施例的产物的XRD谱图与实施例1相似，可以看出同纯铁酸 铋相比，氮掺杂后样品的结构没有发生变化。图3为产物的磁滞回线，可以看 出同纯BiFeO₃相比，N掺杂的样品具有较明显的回线，呈现出弱磁性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。