钡硼酸盐的低温固相反应合成-毕业论文.docx

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1、11学科分类号（二级）15015本科学生毕业论文（设计）题 目钡硼酸盐的低温固相反应合成姓 名 学 号 院、 系化学化工学院专 业化 学毕业时间2016年 7月1日指导教师 职称（学历）教授（博士研究生）云南师范大学教务处制目 录1 引言11.1 硼酸盐的性质及其用途11.2 硼酸盐的研究现状11.3 低温固相合成方法简介21.3.1 低温固相合成方法可分为：21.3.2 低温固相化学反应反应过程的控制22 实验22.1 实验试剂：22.2 实验仪器32.3 实验过程32.3.1 样品的制备32.3.2 样品的制备条件及制备过程32.3.3 样品的表征43 结果与讨论44 结论8参考文献：9钡

2、硼酸盐的低温固相反应合成摘要：本文的实验是以Ba(NO3)2、H3BO3和NaOH为原料，利用固相反应法制备得到几种钡的硼酸盐晶体，并用X-射线衍射仪（XRD）对所得产物的物相进行了物相表征。合成了三个化合物，分别为Ba3B6O9(OH)6、Ba3(B3O6)2和Ba5(BO3)2B2O5粉末，其中Ba3B6O9(OH)6粉末为低温固相法所合成，Ba3(B3O6)2和Ba5(BO3)2B2O5粉末为高温固相法所合成。XRD结果表明：Ba3B6O9(OH)6为单斜晶系物相，其晶胞参数a =8.7673 , b = 13.5981 , c = 7.230 ，b = 105.5633 ; Ba3(B

3、3O6)2为四方晶系，其晶胞参数是a =12.531 , b =12.531 , c =12.721 ；Ba5(BO3)2B2O5为四方晶系，其晶胞参数是a =9.590 , b =16.659 , c = 22.919 。关键词：Ba3B6O9(OH)6；XRD；固相合成1 引言1.1 硼酸盐的性质及其用途在硼酸盐的晶体中，由于硼的配位键型不同，结构特殊，这就使得硼酸盐有多种多样的化合物。一些钡硼酸盐1具有非常优越的性能，为人们的生产生活带来了极大的便利，也推动了硼化合物在无机材料的迅速发展，比如说BaB2O4在光学材料方面应用广泛，BBO是非常好的非线性光学晶体等。近两年LG、SONY、松

4、下等厂商纷纷推出OELD电视，这种显示器具有亮度高、耗能低、反应速度快、色彩还原度高、超薄、高亮度、高分辨率、高对比度、使用寿命长等诸多优点，这类产品备受关注并且会在未来日益激烈的竞争中大放异彩。硼酸盐功能材料2-3具物理和化学性质稳定，应用很广，在无机材料4-6中很受欢迎。迅速发展的光电技术与逐渐完善的显示设备，使得电灯中使用的荧光粉以及较大的平板显示器中所使用的荧光粉都是稀土硼酸盐材料。硼酸盐材料在我们的生活中扮演着越来越重要的角色7。 1.2 硼酸盐的研究现状硼酸盐功能材料具有很稳定的物理化学性质，这使得它在很多方面都有很大的应用潜力，由此变为近年来无机材料的研究焦点。硼酸盐无机化学材料

5、方面应用很广8，到目前为止，生产硼酸盐的方法9-10主要有沉淀法、水热法、氧化法等等。这些方法旨在探索易于控制的合成工艺，从而获得发光性能优异的硼酸盐。但是这些方法产量低、反应周期长、会有有毒有害的物质生成，并且还存在一定的缺陷，越来越不要满足绿色化学的要求。固相反应是人类最早使用的化学反应之一，我国制陶工艺历史悠久，这就是固相化学反应运用最早的实例。低温固相合成法指有固态物质参加的反应，没有液相参加。在另一方面，固相反应法具有突出的优点，比如说：反应周期短、产量高、原子利用率高等，满足绿色化学的要求。固相反应法在无机化学合成方面已经得到了成功应用11-12，越来越受到无机化学材料合工作者的关

6、注外13-14 本次论文实验我采用低温固相反应法，以硼酸、氢氧化钠和硝酸钡为试剂，使用低温固相合成方法制备合成硼酸钡晶体，并用X-射线衍射仪XRD对所得产物的形貌及结构进行表征。1.3 低温固相合成方法简介1.3.1 低温固相合成方法可分为：直接反应法直接反应法15是将多种反应物直接混合即可发生反应。其反应条件要求不高、操作简便。实验室用研钵研磨使反应物充分接触，加快反应速度。氧化法氧化法16-17是先将两种或两种以上药品放入研钵中充分研磨均匀，然后再通过其他方法使研磨得到的样品分解得到我们想要的产物的方法。前驱体法前驱体法也是先将两种或两种以上药品放入研钵中充分研磨均匀得到前驱体，然后再通过

7、其他方法使前驱体分解得到我们想要的产物的方法18。1.3.2 低温固相化学反应反应过程的控制低温固相反应合成硼酸钡粉体研磨是必要步骤，研磨增加了反应物的接触面积，缩短了反应时间，促进了反应的发生，粒子的大小与研磨时间长短关系不大。 另外，充分研磨为反应提供了微量热。2 实验2.1 实验试剂：实验是以Ba(NO3)2、H3BO3和NaOH为原料，利用低温固相反应合成法制备Ba3B6O9(OH)6、Ba3(B3O6)2和Ba5(BO3)2B2O5粉末，所用的试剂药品规格与实验仪器的型号规格列在下表当中：表1 实验试剂及规格试剂/仪器名称规格型号生产厂家Ba(NO3)2分析纯重庆北碚化学试剂厂H3B

8、O3分析纯天津市盛噢化学试剂有限公司NaOH分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司2.2实验仪器表2 实验仪器与设备规格试剂/仪器名称规格型号生产厂家电子天平沈阳龙腾电子称量仪器有限公司箱式电阻炉SX2-5-12北京电炉厂恒温干燥箱DHG-9035A型上海一恒科学仪器有限公司水热反应釜济南恒化科技有限公司X-射线粉末衍射仪国产DX-2700型丹东方园仪器有限公司电吹风EH5246型松下电工-万宝电器有限公司 2.3 实验过程 2.3.1 样品的制备 用电子天平按配比准确（精确到0.0001）称量2.0000g Ba(NO3)2和0.9568g H3BO3（此处称为初始配比）放于研钵中研磨20分钟

9、，待两种样品研磨均匀以后，按照配比准确地称取一定量的氢氧化钠，放入研钵中继续研磨，使混合物在研钵中充分研磨，此时样品由干燥晶体状变为潮湿的膏状固体。将所得反应物置于水热反应釜中后，放入DHG-9035A型电热恒温干燥箱中在100的条件下活化20小时，最后将得到的产物洗涤3-5次，目的是去除杂物，再次置于DHG-9035A型电热恒温干燥箱中在80的条件下烘干。这样就得到可能含有的Ba5B6O9(OH)6粉末样品。2.3.2 样品的制备条件及制备过程给每组样品编号，分别按照如下条件及过程制备可能含有Ba5B6O9(OH)6的粉末样品。表3 样品的制备条件及制备过程低温固相法编号原料反应釜温度时间洗

10、涤1洗涤2洗涤31 Ba(NO3)2、H3BO3、NaOH10020小时是是是2 Ba(NO3)2、H3BO3、NaOH10020小时是是是高温固相法编号原料坩埚温度1坩埚温度2洗涤1洗涤2洗涤33Ba(NO3)2、H3B3400900是是是4Ba(NO3)2、H3BO3400900是是是2.3.3 样品的表征本次实验采用X-射线粉末衍射（XRD）来进行表征，通过XRD测定所合成样品的主要成分。X-射线粉末衍射（XRD）具有不损伤样品、无污染、快捷、测量精度高等优点，它可以给出晶体的晶型，提供表征晶体形态的完整数据。利用X-射线粉末衍射图，通过与标准卡片对比，可以判定样品的组成成分，是判定晶体

11、结构的一种普遍而有效的方法。我将所制得到的的样品进行压片，使得粉末上表面非常平整，样品厚度在1.5-2.0mm,使用国产DX-2007型X-射线粉末衍射仪，采用Cu靶Ka辐射，电压为40.0kv,电流为35.0mA，进行样品的物相分析。3 结果与讨论图1 为100活化20h后经蒸馏水洗涤之后再烘干得到样品的X射线粉末衍射图从图1 中我们可以看出，谱图中主要是碳酸钡杂质的衍射峰，并没有得到我们预期的Ba5(B6O9)(OH)6产物。我认为造成这次实验失败的原因主要是氢氧化钠吸收了空气中的水分和二氧化碳杂质，水洗的时候就大量生成了碳酸钡杂质，所以用XRD测定的时候，谱图中出现的就主要是碳酸钡杂质，

12、而我们的目标产物几乎没有。 改变反应物的配比，按照如下方法进行实验：事先把研钵冲洗干净再用蒸馏水清洗后烘干备用，按照一定的配比准确称取硝酸钡和硼酸盐放入洗净烘干的研钵中充分研磨，在研磨的过程中，要不断用勺子翻动样品，以便硝酸钡和硼酸盐能混合均匀。待两种样品研磨均匀以后，按照配比准确地称取一定量的氢氧化钠，放入研钵中继续研磨均匀，在称取氢氧化钠的过程中动作一定要快，因为氢氧化钠很容易与空气中的一些物质反应变质。在研磨的过程中我们可以发现，颗粒状的物质很快变为粉末状，慢慢地粉末状又转化为白色粘稠糊状混合物，此时可以明显感觉到放热现象的发生，继续研磨一段时间之后样品逐渐地变为膏状物体，此时将膏状物体

13、转移到反应釜中，放入电热恒温干燥箱中，在100摄氏度的条件下反应20小时。然后将所得的产物用蒸馏水洗涤多次，把洗净后的样品反应恒温干燥箱中在60摄氏度下烘干至恒重，此时得到的晶体就是Ba3B6O9(OH)6粉末。图2 Ba3(B6O9)(OH)6的X射线粉末衍射实验图从图2 中我们可以看到，谱图中主要是Ba3B6O9(OH)6的特征衍射峰，除此之外，还有部分的碳酸钡杂质峰。为什么会有碳酸钡杂质呢，我认为是在磨的过程当中氢氧化钠吸收了空气中的二氧化碳生成了碳酸钠，在水洗的时候和钡离子反应生成了碳酸钡杂质。所以，在做这个实验的时候，如何减少氢氧化钠和空气的接触是实验的关键。我们以硝酸钡、硼酸和氢氧

14、化钠三种物质为原料在100摄氏度的温度下就合成了Ba3B6O9(OH)6晶体，不仅降低了反应温度，同时在反应时间上也具有优势。此外，在低温固相合成反应过程中，没有其他有毒有害的物质生成，更加符合绿色化学的要求。所以，在今后很长一段时间内，我认为低温固相反应法将越来越受到化学工作者的重视，在无机非金属材料的合成中将起到关键性的作用。由于前两次实验所合成的产物中都含有一定的碳酸钡杂质，所以我采用高温固相法直接以硼酸和硝酸钡为原料合成硼酸盐，具体操作为：准确称取一定比例的硝酸钡和硼酸样品，放入研钵中充分研磨均匀，然后把药品转移到坩埚中，放入马弗炉中，在400摄氏度的条件下先预烧5小时，待冷却后将药品

15、从坩埚中取出，放入研钵中继续充分研磨均匀，然后再把药品转移到坩埚中，放入马弗炉中，在900摄氏度的条件下煅烧10小时，待冷却后，将药品从坩埚中取出，继续充分研磨均匀，然后用XRD分析测试。 图3 为硝酸钡与硼酸的比例为1:2在900烧10h未经蒸馏水洗涤之得到样品的X射线粉末衍射图从图3 中我们可以看出，谱图中主要是Ba3(B3O6)2的吸收峰，此外，还有些许的其他杂质。我们用硝酸钡和硼酸为原料采用高温固相法合成了Ba3(B3O6)2，减少了液相反应所必须的一些流程，优化了工艺周期，提高了实验的产量，所以，高温固相法也是一种比较好的实验研究方法。改变硝酸钡和硼酸的比例为5:4按照如下方法制备可

16、能得到Ba5(BO3)2B2O5粉：准确称取一定比例的硝酸钡和硼酸样品，放入研钵中充分研磨均匀，然后把药品转移到坩埚中，放入马弗炉中，在400摄氏度的条件下先预烧5小时，待冷却后将药品从坩埚中取出，放入研钵中继续充分研磨均匀，然后再把药品转移到坩埚中，放入马弗炉中，在900摄氏度的条件下煅烧10小时，待冷却后，将药品从坩埚中取出，继续充分研磨均匀，然后用XRD分析测试。此次实验的硝酸钡与硼酸的比例为5:4反应生成的产物用XRD表征如下： 图4 为硝酸钡与硼酸的比例为5:4在900烧10h未经蒸馏水洗涤之得到样品的X射线粉末衍射图从图4 我们可以看出，谱图中主要的吸收峰为Ba5(BO3)2B2O

17、5的吸收峰，实验方法与3.1的实验方法相同，所不同的是，硼酸与硝酸钡的比例不同，所以同样的方法可以合成不同的产物。 4 结论 本次实验以Ba(NO3)2、H3BO3和NaOH为原料，使用固相法成功合成了硼酸钡晶体。通过实验得知硼酸钡晶体使用固相法合成的最低温度为100，制备较为纯净的硼酸钡晶体的理想温度为900，并且要经过蒸馏水洗涤。此外，通过本次实验我们可以了解到，合成钡硼酸盐的方法有多种，比如说：水热法、氧化法、直接反应法等等，但这些方法有一个共同的地方就是反应周期长，反应要求的条件高，在实际操作过程中能耗也较高，成本也相对较大，对环境也有不小的污染，并且还有一定的缺陷存在，越来越不满足绿

18、色化学的要求，所以这两些方法逐渐被淘汰。相反的是低温固相法在仅仅100摄氏度的条件下就合成了我们所要的目标产物，降低了反应温度，大大缩短了实验周期，而且对环境还没有污染，所以低温固相合成法在今后将越来越受化学工作者的青睐。参考文献：1 苏文斌, 谷学新, 邹洪, 朱若华.稀土元素发光特性及其应用J. 化学研究, 2001,12(4):552 Fang Y P, Xu A W, Song R Q, Zhang H X, You L P, Yu J C, Liu H QSystematic Synthesis and Characterization of Single-Crystal Lanth

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20、4 郭丽梅, 匡元江, 杨晓丹, 等.偏硼酸锶/碳酸锶复合催化剂光催化还原CO2生成CH4的研究J.物理化学学报, 2013,29（7）:1558-1565.5 周建国, 牛新书.精细无机化工M.开封: 河南大学出版社, 1999.6 王修慧.镁铝尖晶石, 钇铝石榴石粉体的制备研究D.东北大学, 2009.7 Kim J B, Lee K S, Kim J N. Growth and dieleetric ProPerties of SrB2O4 Single CrystalJ. Materials Letters, 1997, 311-2:93-9.8 Pan F, Shen G, Wang

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26、fractometer (XRD). Ba3B6O9(OH)6 was synthesized by solid state reaction at low temperature. Both Ba3(B3O6)2 and Ba5(BO3)2B2O5 were synthesized by solid state reaction at high temperature. The structure of Ba3B6O9(OH)6 is the monoclinic system, and its cell parameters: a =8.7683 , b = 13.5981 , c = 7.230 , b = 105.5633 ; The structure of Ba3(B3O6)2 is the tetragonal system, its cell parameters: a =12.531 , b =12.531 , c =12.721 ; The structure of Ba5(BO3)2B2O5 is the tetragonal system. its cell parameters: a =9.590 , b = 16.659 , c =22.919 .KeyWords: Ba3B6O9(OH)6 ; XRD; Solid-state reaction 11