燃燒法合成鈦酸鎂
時間：2020-12-01
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1、方法與原理
（1） 燃燒合成法
燃燒合成法是將相應可溶性金屬硝酸鹽（氧化劑）和有機燃料（如尿素或檸檬酸等）的混合物放置在一定溫度的環(huán)境下點燃引發(fā)劇烈的氧化-還原反應，一旦點燃，反應將由氧化-還原反應所放出的熱量維持自動進行，整個燃燒過程可在數(shù)分鐘內(nèi)完成，且有大量氣體逸出，產(chǎn)物為疏松的泡沫狀固體。燃燒法具有反應時間短、制得的產(chǎn)物純度高、粒度小、分布均勻及比表面積大等特點，在試驗研究中應用較為普遍。
（2）氧化劑（金屬硝酸鹽）與燃料配比的計算
根據(jù)推進劑化學理論，燃燒產(chǎn)物一般是CO2，H2O和N2，元素C，H作為還原劑，其化合價是+4價和+1價；元素O作為氧化劑，化合價為-2價；而N是中性元素，化合價為零價。
Ca為+2價的還原劑，本文以Mg（NO3）2·6H2O和檸檬酸為原料，Mg（NO3）2·6H2O的總化合價為+2+0×2+（-2）×6=－10，為氧化劑（因為結(jié)晶水不影響硝酸鹽的總化合價的計算）；C6H8O7·H2O的總化合價為（+4）×6+（+1）×8+（－2）×7=+18，為還原劑。本文合成的產(chǎn)物為Mg2TiO4，Mg2+與Ti4+的摩爾比為2：1，Mg（NO3）2·6H2O的總化合價為－10，Ti4+在反應過程中生成TiO（NO3）2，其化合價為-10，則2moLMg（NO3）2·6H2O和1moLTiO（NO3）2的總化合價為-30，所以氧化劑和檸檬酸的摩爾比為18：30，即檸檬酸與硝酸鹽的化學計量比為1.67：1，在本實驗中取1.5作為燃料與金屬離子的配比。如以尿素為燃料，CO（NH2）2的總化合價為+6，則尿素與硝酸鹽的摩爾比為30：6，即化學計量比為5:1，但為了和檸檬酸相對比，本實驗中尿素與金屬離子的配比仍取1.5:1。
2、實驗過程與反應機理
根據(jù)推進劑化學理論，計算出檸檬酸與金屬離子的比為1.5：1。乙二醇的量是根據(jù)原始的Pechini方法中的EG：CA=4確定的，因此制備Mg2TiO4所需原料的化學計量配比為：[Mg2+]：[Ti4+]=2：1；檸檬酸（或尿素）：[Mg2++Ti4+]=1.5：1；乙二醇：檸檬酸（或尿素）=4：1；濃硝酸為1mL；稀土離子的摻雜濃度為0.05moL%。制備步驟為：
（1）按化學計量比分別稱取一定量的Mg（NO3）2·6H2O，檸檬酸（或尿素），Pr2O3（或其他稀土氧化物）；
（2）按化學計量比量取一定量的鈦酸丁酯（Ti（OC4H9）4）溶液緩慢滴加到適量的乙二醇溶液中，打開磁力攪拌器開始加熱至80ºC，將檸檬酸（或尿素）加入到攪拌的Ti-乙二醇溶液中，攪拌至完全溶解，得到溶液A；
（3）將Pr2O3（或其他稀土氧化物）溶解于濃硝酸得到硝酸鐠溶液，將稱量好的Mg（NO3）2·6H2O用少量的水溶解，得到硝酸鎂溶液，將硝酸鐠溶液和硝酸鎂溶液混合，得到硝酸鹽溶液B；
（4）將硝酸鹽溶液B加入到A溶液中，在80ºC加熱攪拌1h，得到溶膠C；
（5）取少量的溶膠C于剛玉坩堝中，置于馬弗爐中在一定溫度下進行燃燒反應，溶膠迅速沸騰、蒸發(fā)、膨脹、燃燒并伴隨大量的氣體放出，整個過程在五分鐘內(nèi)完成，待冷卻后，可觀察到產(chǎn)物為疏松多孔的白色固體，稍加研磨，即可成很細的白色粉末；
（6）采用XRD、SEM、FL（熒光光譜）對樣品進行測試分析。
（1） 燃燒合成法
燃燒合成法是將相應可溶性金屬硝酸鹽（氧化劑）和有機燃料（如尿素或檸檬酸等）的混合物放置在一定溫度的環(huán)境下點燃引發(fā)劇烈的氧化-還原反應，一旦點燃，反應將由氧化-還原反應所放出的熱量維持自動進行，整個燃燒過程可在數(shù)分鐘內(nèi)完成，且有大量氣體逸出，產(chǎn)物為疏松的泡沫狀固體。燃燒法具有反應時間短、制得的產(chǎn)物純度高、粒度小、分布均勻及比表面積大等特點，在試驗研究中應用較為普遍。
（2）氧化劑（金屬硝酸鹽）與燃料配比的計算
根據(jù)推進劑化學理論，燃燒產(chǎn)物一般是CO2，H2O和N2，元素C，H作為還原劑，其化合價是+4價和+1價；元素O作為氧化劑，化合價為-2價；而N是中性元素，化合價為零價。
Ca為+2價的還原劑，本文以Mg（NO3）2·6H2O和檸檬酸為原料，Mg（NO3）2·6H2O的總化合價為+2+0×2+（-2）×6=－10，為氧化劑（因為結(jié)晶水不影響硝酸鹽的總化合價的計算）；C6H8O7·H2O的總化合價為（+4）×6+（+1）×8+（－2）×7=+18，為還原劑。本文合成的產(chǎn)物為Mg2TiO4，Mg2+與Ti4+的摩爾比為2：1，Mg（NO3）2·6H2O的總化合價為－10，Ti4+在反應過程中生成TiO（NO3）2，其化合價為-10，則2moLMg（NO3）2·6H2O和1moLTiO（NO3）2的總化合價為-30，所以氧化劑和檸檬酸的摩爾比為18：30，即檸檬酸與硝酸鹽的化學計量比為1.67：1，在本實驗中取1.5作為燃料與金屬離子的配比。如以尿素為燃料，CO（NH2）2的總化合價為+6，則尿素與硝酸鹽的摩爾比為30：6，即化學計量比為5:1，但為了和檸檬酸相對比，本實驗中尿素與金屬離子的配比仍取1.5:1。
2、實驗過程與反應機理
根據(jù)推進劑化學理論，計算出檸檬酸與金屬離子的比為1.5：1。乙二醇的量是根據(jù)原始的Pechini方法中的EG：CA=4確定的，因此制備Mg2TiO4所需原料的化學計量配比為：[Mg2+]：[Ti4+]=2：1；檸檬酸（或尿素）：[Mg2++Ti4+]=1.5：1；乙二醇：檸檬酸（或尿素）=4：1；濃硝酸為1mL；稀土離子的摻雜濃度為0.05moL%。制備步驟為：
（1）按化學計量比分別稱取一定量的Mg（NO3）2·6H2O，檸檬酸（或尿素），Pr2O3（或其他稀土氧化物）；
（2）按化學計量比量取一定量的鈦酸丁酯（Ti（OC4H9）4）溶液緩慢滴加到適量的乙二醇溶液中，打開磁力攪拌器開始加熱至80ºC，將檸檬酸（或尿素）加入到攪拌的Ti-乙二醇溶液中，攪拌至完全溶解，得到溶液A；
（3）將Pr2O3（或其他稀土氧化物）溶解于濃硝酸得到硝酸鐠溶液，將稱量好的Mg（NO3）2·6H2O用少量的水溶解，得到硝酸鎂溶液，將硝酸鐠溶液和硝酸鎂溶液混合，得到硝酸鹽溶液B；
（4）將硝酸鹽溶液B加入到A溶液中，在80ºC加熱攪拌1h，得到溶膠C；
（5）取少量的溶膠C于剛玉坩堝中，置于馬弗爐中在一定溫度下進行燃燒反應，溶膠迅速沸騰、蒸發(fā)、膨脹、燃燒并伴隨大量的氣體放出，整個過程在五分鐘內(nèi)完成，待冷卻后，可觀察到產(chǎn)物為疏松多孔的白色固體，稍加研磨，即可成很細的白色粉末；
（6）采用XRD、SEM、FL（熒光光譜）對樣品進行測試分析。
