高純碳酸鋇的制備及其應(yīng)用研究

＊張波 萬洋 曾開文 柏景榮 王朝廷 張江江

（貴州紅星發(fā)展股份有限公司 貴州 561201）

隨著科技的不斷發(fā)展，先進(jìn)材料科學(xué)成為了研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。其中，高純碳酸鋇因其獨(dú)特的物理和化學(xué)性能，在先進(jìn)材料科學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用潛力。然而，如何制備出具有高純度、良好晶體結(jié)構(gòu)的高純碳酸鋇成為研究的重點(diǎn)。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(jìn)材料科學(xué)中的應(yīng)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(xué)法、微波輔助合成法、超重力法。當(dāng)前制備高純碳酸鋇的方法存在一定的局限性，如工藝復(fù)雜、合成轉(zhuǎn)化率不高、原料利用率低等問題。存在的問題主要有工藝復(fù)雜、合成轉(zhuǎn)化率不高、原料利用率低、導(dǎo)致資源浪費(fèi)及制備過程中環(huán)境污染。針對上述問題，本研究擬采用以下方法進(jìn)行解決：優(yōu)化制備工藝、簡化流程、降低副產(chǎn)物產(chǎn)生、提高合成轉(zhuǎn)化率、提高原料利用率、探索綠色制備方法及降低環(huán)境污染等。

1.實(shí)驗部分

(1)主要實(shí)驗材料及儀器

實(shí)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(shí)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(chǎn)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(chǎn)的D8 ADVANCE型。

(2)高純碳酸鋇的制備

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(xué)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(yù)處理，將碳酸鈣和碳酸鈉分別干燥至恒重，粉碎至適當(dāng)粒度，平均粒徑D50控制10μm；將碳酸鈉和碳酸鈣按照質(zhì)量比為1.05:1的比例進(jìn)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(jìn)行反應(yīng)，微波的溫度為250℃，微波功率為550W。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)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(jìn)行固態(tài)反應(yīng)，生成碳酸鋇。經(jīng)分離與純化得到產(chǎn)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(jù)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(diào)節(jié)pH值為8.5±0.1。進(jìn)行沉淀反應(yīng)，將溶液中的鋇離子和碳酸根離子在45℃下反應(yīng)，生成碳酸鋇沉淀；分離與純化，將得到的碳酸鋇沉淀與反應(yīng)溶液分離，通過洗滌、干燥等步驟進(jìn)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(huán)己烷和乙醇混合均勻后，混合質(zhì)量比為1:0.2:1:0.2:0.1，加入混合液質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(huán)己烷和乙醇混合均勻后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jìn)行完全反應(yīng)；經(jīng)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(fā)生沉淀反應(yīng)；經(jīng)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(xué)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(jìn)行反應(yīng)，得到碳酸鋇沉淀物。經(jīng)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(xué)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(yīng)，將鋇源溶液和碳酸鹽溶液混合，在超重力條件下進(jìn)行反應(yīng)，得到碳酸鋇沉淀物。將沉淀物進(jìn)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

2.結(jié)果及評價

通過對比實(shí)驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)微波輔助合成法得到的高純碳酸鋇具有較好的晶體結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(xué)領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注。本研究分析了影響產(chǎn)物純度的因素，并優(yōu)化了工藝條件[1]。經(jīng)測試平均粒徑D50在1μm左右。采用XRD進(jìn)行測試并判定產(chǎn)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(tài)反應(yīng)生成碳酸鋇。避免了高溫?zé)Y(jié)過程中產(chǎn)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(yīng)，生成碳酸鋇沉淀。通過調(diào)節(jié)溶液的pH值、反應(yīng)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(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌的有效調(diào)控[4]。

模板法有利于保持碳酸鋇粒子的穩(wěn)定性，利用模板的特性，可以實(shí)現(xiàn)對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌的有效調(diào)控，有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[5]。

超聲波化學(xué)法具有反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，超聲波的高能量使反應(yīng)速率顯著提高，縮短了制備時間。超聲波法能夠?qū)崿F(xiàn)對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌有效調(diào)控[6]。

超重力法反應(yīng)速度快，反應(yīng)速率顯著提高。反應(yīng)條件溫和，能夠在較低溫度下進(jìn)行反應(yīng)，有利于保持碳酸鋇粒子的穩(wěn)定性[7]。

3.應(yīng)用

高純碳酸鋇在先進(jìn)材料科學(xué)中的應(yīng)用主要包括：

(1)作為先進(jìn)陶瓷材料的高純度填料

碳酸鋇（BaCO3）作為一種廣泛應(yīng)用于化工、建材、冶金、陶瓷等領(lǐng)域的礦物原料，因其高純度、良好的物理性能和化學(xué)性能而受到關(guān)注[8-9]。

(2)制備高性能的鋰離子電池負(fù)極材料

鋰離子電池因具有充放電速度快、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前新能源汽車和便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域的主要能源來源[10-11]。

(3)作為催化劑和催化劑載體

催化劑和催化劑載體在化學(xué)反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用，可以提高反應(yīng)速率，降低反應(yīng)活化能，從而實(shí)現(xiàn)高效、綠色和可持續(xù)的化學(xué)過程[12-13]。

(4)應(yīng)用于光學(xué)、電子和磁性材料等領(lǐng)域

碳酸鋇具有良好的光學(xué)性能、電子性能和磁性。在光學(xué)領(lǐng)域，碳酸鋇晶體具有較高的折射率和光損傷閾值，可應(yīng)用于光學(xué)元件和光學(xué)存儲介質(zhì)[14]。

4.結(jié)語

高純碳酸鋇在先進(jìn)材料科學(xué)中的應(yīng)用研究涉及多個領(lǐng)域。其優(yōu)良的物理、化學(xué)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。