掺杂锐钛矿二氧化钛材料、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种掺杂锐钛矿二氧化钛材料、其制备方法及应用。一种掺杂锐钛矿二氧化钛材料，其特征在于，所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料的化学通式为(AxBy)Ti1‑3/4x‑5/4yO2，其中，A选自Bi、In、Ga及Al中的至少一种，B选自Nb、W、V及Ta中的至少一种，0＜x<0.10，0＜y<0.10。上述掺杂锐钛矿二氧化钛材料的烧结温度较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及掺杂锐钛矿二氧化钛材料、其制备方法及其应用。
技术介绍
高能存储器件(比如动态随机存储器)以及超级(普通)电容器的研究表明，组成它们的介电材料应该同时具有高介电常数，低介电损耗以及较宽的温度使用范围。目前，双金属离子共掺杂二氧化钛因其独特的介电性能正引起广泛的关注。比如：铟和铌共掺杂二氧化钛陶瓷的介电常数在104以上，介电损耗小于0.05。同时，还能够在很宽的温度范围内(从-180℃到200℃)保持优良的介电性能。其他三价离子和铌共掺杂的二氧化钛陶瓷材料也表现出铟和铌共掺杂二氧化钛陶瓷同样的介电性能。另外，铟和铌共掺杂二氧化钛薄膜在很宽的频率范围内也具有高的介电常数，低的介电损耗。二价钡离子和五价铌离子也一起共掺入二氧化钛陶瓷基体中，他们的介电性能也得到广泛的关注。然而，目前常用的掺杂二氧化钛介电材料的烧结温度普遍在1400℃左右，烧结温度较高。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种烧结温度较低的掺杂锐钛矿二氧化钛材料、其制备方法、由该掺杂锐钛矿二氧化钛材料制成的陶瓷及掺杂锐钛矿二氧化钛材料在陶瓷电容器中的应用。一种掺杂锐钛矿二氧化钛材料，所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料的化学通式为(AxBy)Ti1-3/4x-5/4yO2，其中，A选自Bi、In、Ga及Al中的至少一种，B选自Nb、W、V及Ta中的至少一种，0＜x<0.10，0＜y<0.10。在其中一个实施例中，所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料在一维方向上的尺寸小于100nm。在其中一个实施例中，所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料中含有因B5+离子掺杂而诱导的Ti3+离子。在其中一个实施例中，由所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料制备的陶瓷的介电损耗小于0.15。在其中一个实施例中，由所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料制备的陶瓷在20Hz到105Hz范围内的介电常数为8000-150000。上述的掺杂锐钛矿二氧化钛材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将含有四价钛的钛源与反应溶剂混合形成预混液，所述预混液中Ti4+的浓度为0.0005mol/L至Ti4+的溶解达到饱和；将含有三价A的A源及含有五价B的B源加入预混液中搅拌至所述A源及所述B源完全溶解形成反应溶液，所述反应溶液中，A3+与Ti4+的摩尔比为n，B5+与Ti4+的摩尔比为m，其中0＜n≤2，0＜m≤2；所述反应溶液在50℃～250℃下充分反应得到所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料。在其中一个实施例中，所述钛源选自Ti(NO3)4、Ti(NO3)4的水合物、TiCl4、TiCl4的水合物、Ti(SO4)2、Ti(SO4)2的水合物、TiOSO4、TiOSO4的水合物、C8H20O4Ti、C8H20O4Ti的水合物、C12H28O4Ti、C12H28O4Ti的水合物、C16H36O4Ti及C16H36O4Ti的水合物中的至少一种。在其中一个实施例中，所述反应溶剂选自水、乙醇、甲醇、异丙醇、丙酮以及油酸中的至少一种。在其中一个实施例中，所述A源选自A(NO3)3、A(NO3)3的水合物、ACl3、ACl3的水合物、A2(SO4)3、A2(SO4)3的水合物、A(C2H3O2)3及A(C2H3O2)3的水合物中的至少一种。在其中一个实施例中，所述B源选自B(NO3)5、B(NO3)5的水合物、B2(SO4)5、B2(SO4)5的水合物、BCl5及BCl5的水合物中的至少一种。在其中一个实施例中，所述反应溶液在50℃～250℃下充分反应的步骤中，反应时间为4小时以上。在其中一个实施例中，所述反应溶液在50℃～250℃下充分反应后进行分离提纯得到所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料，所述分离提纯的操作具体为：用水和
乙醇依次清洗得到的反应产物并离心分离。在其中一个实施例中，所述反应溶液在50℃～250℃下充分反应的步骤中，将所述反应溶液置于密封的反应釜中，将所述反应釜置于50℃～250℃的加热设备中进行加热。在其中一个实施例中，所述加热设备为烘箱，水浴，油浴中的至少一种。一种陶瓷，所述陶瓷通过上述掺杂锐钛矿二氧化钛材料烧结而成。在其中一个实施例中，所述烧结的温度低于1200℃。在其中一个实施例中，将权利要求1～4任一项的掺杂锐钛矿二氧化钛材料烧结时，将所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料压制成生坯，再对所述生坯进行烧结。在其中一个实施例中，所述烧结的时间为0.5小时～60小时。上述的掺杂锐钛矿二氧化钛材料在陶瓷电容器、生物传感器、染料敏化电池、有机-无机杂化材料领域中的应用。上述掺杂锐钛矿二氧化钛材料，通过共掺杂+3价和+5价金属离子进行化学修饰锐钛矿二氧化钛，经修饰的掺杂锐钛矿二氧化钛材料具有巨介电性能，可以直接用于制备高介电单层或多层陶瓷电容器，用该掺杂锐钛矿二氧化钛材料作为原料直接烧结相应陶瓷，煅烧温度只需要1000℃左右，烧结温度较低。附图说明图1为实施例1～3制备的掺杂锐钛矿二氧化钛材料的XRD谱图；图2为实施例1～3制备的掺杂锐钛矿二氧化钛材料在室温下的拉曼光谱谱图；图3为实施例1制备的掺杂锐钛矿二氧化钛材料的透射电镜照片；图4为实施例1制备的掺杂锐钛矿二氧化钛材料的XPS图；图5为实施例1制备的掺杂锐钛矿二氧化钛材料制成的陶瓷的室温介电频谱图。具体实施方式下面主要结合具体实施例及附图对掺杂锐钛矿二氧化钛材料、其制备方法、
由该掺杂锐钛矿二氧化钛材料制成的陶瓷及掺杂锐钛矿二氧化钛材料在陶瓷电容器中的应用作进一步详细的说明。一实施方式的掺杂锐钛矿二氧化钛材料的化学通式为(AxBy)Ti1-3/4x-5/4yO2，其中，A选自Bi、In、Ga及Al中的至少一种，B选自Nb、W、V及Ta中的至少一种，0＜x<0.10，0＜y<0.10。优选的，掺杂锐钛矿二氧化钛材料在一维方向上的尺寸小于100nm。优选的，掺杂锐钛矿二氧化钛材料中含有因B5+离子掺杂而诱导的Ti3+离子。优选的，由掺杂锐钛矿二氧化钛材料制备的陶瓷的介电损耗小于0.15。优选的，由掺杂锐钛矿二氧化钛材料制备的陶瓷在20Hz到105Hz范围内的介电常数为8000-150000。上述掺杂锐钛矿二氧化钛材料，通过共掺杂+3价和+5价金属离子进行化学修饰锐钛矿二氧化钛，经修饰的掺杂锐钛矿二氧化钛材料具有巨介电性能，可以直接用于制备高介电单层或多层陶瓷电容器，用该掺杂锐钛矿二氧化钛材料作为原料直接烧结相应陶瓷，煅烧温度只需要1000℃左右，烧结温度较低；掺杂锐钛矿二氧化钛材料的尺寸较小，作为陶瓷电容器的原材料，可以实现电子器件的微型化以及其生产工艺的可集成性，可以降低成型过程中的煅烧温度，可以降低每层介电薄膜的厚度，提高陶瓷器件的能量密度，这种小的纳米材料可以促进高电容、优良温度稳定性的多层陶瓷电容器的微型化发展。上述掺杂锐钛矿二氧化钛材料的制备方法，包括以下步骤：步骤S110、将含有四价钛的钛源与反应溶剂混合形成预混液，预混液中Ti4+的浓度为0.0005mol/L至Ti4+的浓度达到饱和。Ti4+的浓度达到饱和是指钛源在反应溶剂中达到饱和溶解度。优选的，钛源选自Ti(NO3)4、Ti(NO3)4的水合物、TiCl4、TiCl4的水合物、Ti(SO4)2、Ti(SO4)2的水合物、TiOSO4、TiOSO4的水合物、C8本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂锐钛矿二氧化钛材料，其特征在于，所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料的化学通式为(AxBy)Ti1‑3/4x‑5/4yO2，其中，A选自Bi、In、Ga及Al中的至少一种，B选自Nb、W、V及Ta中的至少一种，0＜x<0.10，0＜y<0.10。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂锐钛矿二氧化钛材料，其特征在于，所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料的化学通式为(AxBy)Ti1-3/4x-5/4yO2，其中，A选自Bi、In、Ga及Al中的至少一种，B选自Nb、W、V及Ta中的至少一种，0＜x<0.10，0＜y<0.10。2.根据权利要求1所述的掺杂锐钛矿二氧化钛材料，其特征在于，所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料在一维方向上的尺寸小于100nm。3.根据权利要求1所述的掺杂锐钛矿二氧化钛材料，其特征在于，所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料中含有因B5+离子掺杂而诱导的Ti3+离子。4.根据权利要求1所述的掺杂锐钛矿二氧化钛材料，其特征在于，由所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料制备的陶瓷的介电损耗小于0.15。5.根据权利要求1所述的掺杂锐钛矿二氧化钛材料，其特征在于，由所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料制备的陶瓷在20Hz到105Hz范围内的介电常数为8000-150000。6.如权利要求1～5任一项的掺杂锐钛矿二氧化钛材料的制备方法，包括以下步骤：将含有四价钛的钛源与反应溶剂混合形成预混液，所述预混液中Ti4+的浓度为0.0005mol/L至Ti4+的溶解达到饱和；将含有三价A的A源及含有五价B的B源加入预混液中搅拌至所述A源及所述B源完全溶解形成反应溶液，所述反应溶液中，A3+与Ti4+的摩尔比为n，B5+与Ti4+的摩尔比为m，其中0＜n≤2，0＜m≤2；所述反应溶液在50℃～250℃下充分反应后得到所述掺杂锐钛矿二氧化钛材料。7.根据权利要求6所述的掺杂锐钛矿二氧化钛材料的制备方法，其特征在于，所述钛源选自Ti(NO3)4、Ti(NO3)4的水合物、TiCl4、TiCl4的水合物、Ti(SO4)2、Ti(SO4)2的水合物、TiOSO4、TiOSO4的水合物、C8H20O4Ti、C8H20O4Ti的水合物、C12H28O4Ti、C12H28O4Ti的水合物、C16H36O4Ti及C16H36O4Ti的水合物中的至少一种。8.根据权利要求6所述的掺杂锐钛矿二氧化钛材料的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂选自水、乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘芸，付振晓，孙庆波，雷蒙德·L·威瑟斯，拉塞·诺伦，周超，
申请(专利权)人：广东风华高新科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44