一种宽禁带KNbO3-ZrO2异质粉体及制备方法

本发明属于纳米粉体合成领域，涉及一种宽禁带knbo3-zro2异质粉体及制备方法，具体涉及一种一步溶剂热法制备宽禁带knbo3-zro2异质粉体的方法。

背景技术：

1、knbo3是钙钛矿型晶体，具有相对较高的介电常数、低泄漏电流、良好的热稳定性等优势，目前已被广泛应用于电介质储能薄膜领域。与此同时，形貌调控也有一定优势，研究表明：板状纳米粉体加入聚合物基体中会增加介质/电极界面的势垒高度，抑制电树枝的发展从而降低电导，增大电介质复合薄膜的击穿场强。然而，在高温情况下，由于knbo3的禁带宽度较低，导致载流子的跃迁速度增加，牺牲击穿场强是不可避免的，从而造成了较低的充放电效率，zro2具有较大的禁带宽度(5-7ev)，可以在knbo3表面形成陷阱能级，进一步阻挡载流子的跃迁。因此，knbo3-zro2异质粉体的制备意义重大。

2、文献1“lu y,wang z,yuan s,et al.microwave-hydrothermal synthesis andhumidity sensing behavior of zro2 nanorods[j].rsc advances,2013,11707.”公布了一种采用微波消化系统在温控模式下进行了微波-水热合成zro2纳米棒，采用的zr源为zr(no3)4。然而，此方法操作成本大，溶剂热反应时间长，耗能较高。

3、文献2“ganeshkumar r,somnath s,cheah c w,et al.decoding apparentferroelectricity in perovskite nanofibers[j].acs applied materials&interfaces,2017,42131.”公布了一种采用静电纺丝的方法合成纤维状knbo3，虽能得到特殊形貌的knbo3粉体，但采用的原料成本高昂，并且耗时。

4、目前，有关knbo3的合成制备是较为成熟的，固相法，溶剂热法，熔盐法和静电纺丝法均有报道，zro2的合成报道集中于固相法，而对于低温溶剂热的方法报道非常有限，目前暂无发现对于knbo3-zro2异质粉体的报道，本发明通过一步溶剂热共沉淀的方法获得knbo3-zro2异质纳米板状粉体，具备工艺简单，原料便宜等优势。

技术实现思路

1、要解决的技术问题

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种宽禁带knbo3-zro2异质粉体及制备方法，解决高温电介质储能中无机填料难以阻挡电荷传输的问题。

3、技术方案

4、一种宽禁带knbo3-zro2异质粉体，其特征在于组分为摩尔比为1～1.5:1～2:0.3～0.8的五氧化二铌，氢氧化钾和八水合氯氧化锆，采用溶剂热共沉淀的方法制备得到宽禁带(3-4ev)knbo3-zro2异质粉体。

5、所述宽禁带(3-4ev)knbo3-zro2异质粉体具有板状形貌，禁带宽度3.74ev。

6、一种所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的制备方法，其特征在于采用溶剂热共沉淀的方式得到n-p型异质结粉体，制备步骤如下：

7、步骤1：将五氧化二铌，氢氧化钾，八水合氯氧化锆，乙二醇进行搅拌混合得到混合溶液；

8、步骤2：将混合溶液置于特氟龙反应釜中，在均相反应器中进行溶剂热反应，除杂抽滤并烘干处理；所述反应温度为140-220℃，反应时间为12-24h；

9、步骤3：在马弗炉里煅烧，得到具有板状形貌的宽禁带(3-4ev)knbo3-zro2异质粉体。

10、所述五氧化二铌，氢氧化钾，八水合氯氧化锆与乙二醇混合时，所述五氧化二铌，氢氧化钾和八水合氯氧化锆的摩尔比为1～1.5:1～2:0.3～0.8，加入的乙二醇的量为20-30ml。

11、所述加入乙二醇后搅拌时间为30-60min。

12、所述步骤2反应时，均相反应器的转速为2000-5000r/min。

13、所述步骤2的抽滤所用的去离子水和乙醇的总量为500-1000ml，烘干温度为50-80℃，时间为6-24h。

14、所述步骤3的煅烧温度为500-800℃，保温时间为1-3h。

15、所述步骤3的煅烧的升温速率为5°/min。

16、一种所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的应用，其特征在于：所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体作为高温电介质储能的无机填料实现较高的能量存储，应用于混合动力汽车，新能源并网，航空航天众多领域。

17、有益效果

18、本发明提出的一种宽禁带knbo3-zro2异质粉体及制备方法，通过溶剂热共沉淀的方式得到n-p型异质结粉体，所述方法包括以下步骤：首先，将五氧化二铌，氢氧化钾，八水合氯氧化锆，乙二醇进行搅拌混合。随后，转入特氟龙反应釜中，在均相反应器中进行溶剂热反应，除杂抽滤并烘干处理，再在马弗炉里煅烧，得到具有板状形貌的宽禁带(3-4ev)knbo3-zro2异质粉体。本发明具有原料便宜，操作简便，易进行大规模生产等优势，且异质结复合粉体可结合两者的优势，例如可以调控禁带宽度、改变表面电势等，可同时应用于多个领域，如高温能量存储等。

19、本发明使用一步共沉淀的方法，制备的异质复合粉体的禁带宽度有了明显的增强。

20、本发明的创新点在于：

21、1.板状knbo3的制备条件非常艰难，此方法在共沉淀的同时zro2的存在不影响knbo3的形核，其结合方式是在铌酸钾的表面进行包覆，且溶剂热的方法使得两者异质成核的结合方式更加紧密。

22、2.首次在低温下(200℃)实现了从zrocl·8h2o到zro2的转变。

23、3.异质最大程度结合两种材料的优势，可实现较大的禁带宽度3.74ev，有望作为高温电介质储能的无机填料实现较高的能量存储，可应用于混合动力汽车，新能源并网，航空航天等众多领域。本发明的组份不是简单决定的，而是取决于掺入不同zrocl·8h2o的含量，研究表明当掺入过量的zrocl·8h2o时会影响zro2的形核，导致结晶性和禁带宽度降低。当zro2与knbo3的比例为0.9:1时，kn-zro2的禁带宽度可达3.74ev，对于作为填料应用于高温储能薄膜是非常有前景的。

技术特征：

1.一种宽禁带knbo3-zro2异质粉体，其特征在于组分为摩尔比为1～1.5:1～2:0.3～0.8的五氧化二铌，氢氧化钾和八水合氯氧化锆，采用溶剂热共沉淀的方法制备得到宽禁带(3-4ev)knbo3-zro2异质粉体。

2.根据权利要求1所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体，其特征在于：所述宽禁带(3-4ev)knbo3-zro2异质粉体具有板状形貌，禁带宽度3.74ev。

3.一种权利要求1或2所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的制备方法，其特征在于采用溶剂热共沉淀的方式得到n-p型异质结粉体，制备步骤如下：

4.根据权利要求3所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的制备方法，其特征在于：所述五氧化二铌，氢氧化钾，八水合氯氧化锆与乙二醇混合时，所述五氧化二铌，氢氧化钾和八水合氯氧化锆的摩尔比为1～1.5:1～2:0.3～0.8，加入的乙二醇的量为20-30ml。

5.根据权利要求4所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的制备方法，其特征在于：所述加入乙二醇后搅拌时间为30-60min。

6.根据权利要求3所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤2反应时，均相反应器的转速为2000-5000r/min。

7.根据权利要求3所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤2的抽滤所用的去离子水和乙醇的总量为500-1000ml，烘干温度为50-80℃，时间为6-24h。

8.根据权利要求3所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤3的煅烧温度为500-800℃，保温时间为1-3h。

9.根据权利要求3所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的制备方法，其特征在于：所述步骤3的煅烧的升温速率为5°/min。

10.一种权利要求1或2所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体的应用，其特征在于：所述宽禁带knbo3-zro2异质粉体作为高温电介质储能的无机填料实现较高的能量存储，应用于混合动力汽车，新能源并网，航空航天众多领域。

技术总结本发明涉及一种宽禁带KNbO<subgt;3</subgt;‑ZrO<subgt;2</subgt;异质粉体及制备方法，通过溶剂热共沉淀的方式得到n‑p型异质结粉体，所述方法包括以下步骤：首先，将五氧化二铌，氢氧化钾，八水合氯氧化锆，乙二醇进行搅拌混合。随后，转入特氟龙反应釜中，在均相反应器中进行溶剂热反应，除杂抽滤并烘干处理，再在马弗炉里煅烧，得到具有板状形貌的宽禁带(3‑4eV)KNbO<subgt;3</subgt;‑ZrO<subgt;2</subgt;异质粉体。本发明具有原料便宜，操作简便，易进行大规模生产等优势，且异质结复合粉体可结合两者的优势，例如可以调控禁带宽度、改变表面电势等，可同时应用于多个领域，如高温能量存储等。技术研发人员：樊慧庆,王维佳,苏瑶,车秀姿,樊咏博受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11