适用于材料化学专业）
宁夏大学化学化工学院应用化学系选编。
前言。信息技术、新材料技术、生物技术是当代高新技术的重要组成部分，其中新材料被视为高新技术革命的基础和先导；目前新材料技术是国家重点发展的高技术领域之一。材料化学是在学科的生长和发展的相互交叉和相互渗透中，由基础学科化学和材料科学相融合而形成的新兴边缘学科。
化学是一门实验性很强的学科，化学实验是化学理论、规律产生的基础。尤其是材料化学实验作为材料化学专业学生的第一门专业实验课程，它直接关系到学生能否掌握材料化学基础知识和基本技能，能否有效地掌握科学思维方法、培养科研能力、养成科学的精神和品质，该实验课程在材料化学专业中占有举足轻重的地位。
本讲义是为材料化学专业学生编写的一本材料化学实验教材，目的是使学生在掌握并加深材料化学的知识、了解现在材料化学的研究方法和实验技术、提高综合应用化学各学科和材料化学的知识和实验能力等方面打下坚实的基础。本教程在编写过程中，根据专业特点和实验室现有的实验条件，把一些实验性质合实验内容相近的项目进行归类、整理，形成了基础合成实验、设计性实验、综合性实验为主线的实验体系。所谓设计性实验是通过查阅文献，设计实验方案，分析实验结果等，对学生的科研能力进行初步系统的训练。
而综合性实验则涉及某类实用材料的合成，测试分析以及性能评价的一系列实验内容。本教程内容涉及陶瓷材料，多孔材料，复合材料和高分子材料的合成、表征和性能测试；实验方法包括材料的合成，分离、组成分析和性能测试；测试手段利用了x射线衍射仪、扫描电子显微镜、比表面积测定仪、差热分析仪，激光粒度分析仪、数码生物显微镜等近代分析手段。在选择实验时，编者既注重选择既具有一定普适性的材料化学实验，又注重多种学科之间的交叉融合。
本教程所选择的实验基本来自学科组的研究工作，很多实验是当前国内外的研究前沿和热点。
本讲义由宁夏大学化学化工学院应用化学系编制，罗民，孙爱娟，杨庆凤，梁军老师参与编写。全稿由罗民统稿。虽然编者在内容的取舍和编写中尽力最大的努力，但书中的不当之处在所难免，恳请读者批评指正。
编者。2023年3月修订。
一、实验目的。
1．掌握使用溶胶一凝胶法、直接沉淀法合成纳米batio3粉体材料。
2．通过化学分析方法测定纳米钛酸钡中钡和钛的含量。
3．学习和了解使用x射线衍射仪、激光粒度分析仪以及扫描电镜等测试手段对纳米粉。
体产物进行表征。
二、实验原理。
钛酸钡是电子和精细陶瓷高新技术的关键性材料，具有高的介电常数，良好的铁电、压电、耐压及绝缘性能，广泛应用于体积小、容量大的微型电容器、电子计算机记忆元件、压电陶瓷等，它是电子陶瓷领域应用最广泛的材料之一。随着现代科学技术的发展，由传统固相法合成的batio3，因颗粒粒径粗、均匀性差、烧结活性低，不能满足高科技应用的要求。现常用的合成方法是液相法(湿化学法)．包括溶胶凝胶法、水热法、化学沉淀法等，本实验主要介绍利用溶胶凝胶法、直接沉淀法合成纳米batio3粉体材料。
溶胶一凝胶法是指将金属醇盐或无机盐水解成溶胶，然后使溶胶凝胶化，再将凝胶干燥焙烧后得到纳米粉体。其基本反应原理如下：
1)溶剂化能电离的前驱体——金属盐的金属阳离子mz+吸引水分子形成溶剂单元m(h2o)nz+(z为m离子的价数)，具有为保持它的配位数而强烈地释放h+的趋势。
m(h2o)nz+→m(h20)n-1 (oh)(z-1 )+h+
(2)水解反应非电离式分子前驱体，如金属醇盐m(or)n (n为金属m的原子价)
与水反应：m(or)n+xh20→m(oh)x(or)n+xroh
反应可持续进行，直至生成m(oh)n。
(3)缩聚反应缩聚反应可分为。
失水缩聚 m－oh+ho－m→m－o－m+h20
失醇缩聚 m－oh+ho－m→m－o－m +roh
反应生成物是各种尺寸和结构的溶胶体粒子。
本实验采用醋酸钡和钛酸丁酯为原料的溶胶-凝胶法制备纳米batio3粉体，并对不同煅烧温度处理的样品用x射线衍射法进行结构表征。
溶胶凝胶法的原料价高，高温煅烧能耗大，且煅烧过程中往往造成晶粒长大和颗粒硬团聚。以四氯化钛和氯化钡溶液分别为钛源和钡源．以naoh溶液为沉淀剂，使用直接沉淀法合成纳米batio3粉体，可以避免上述缺点，得到球形形貌、颗粒尺寸均匀的纳米粉体。该反应的反应方程式为：
tic14+h2o—tioc12+2hcl
tiocl2+bacl2+4naoh—batio3+4nacl+2h20
对于合成制备出的纳米batio3粉体产品，使用化学分析方法可快速测定其中钡和钛的含量。用浓盐酸溶样，edta掩蔽钛，硫酸铵作为沉淀剂测定锓含量。另外．用硫酸、硫酸铵溶样，金属铝还原二氧化钛，硫氰酸铵作指示剂，硫酸铁铵作标准滴定溶液测定钛含量。
此外，使用x射线衍射仪、激光粒度分析仪以及扫描电镜等大型仪器作为测试手段对。
纳米粉体产物进行物相、粒度分布及形貌表征。
三、仪器和试剂‘
1．仪器。电子天平、量杯、磁力搅拌器、研钵、45目筛网、电热恒温干燥箱、坩埚、马弗炉．
烧杯、称量瓶、移液管、500ml锥形瓶、滴定管、快速定量滤纸、501a型恒温水浴箱．
ph计、x射线衍射仪、激光粒度分析仪、扫描电镜。
2．试剂。醋酸钡(分析纯)、冰乙酸(分析纯)、钛酸丁酯(分析纯)、无水乙醇(分析纯)、四氯化钛(分析纯)、氯化钡(分析纯)、氢氧化钠(分析纯)、乙二胺四乙酸二钠(分析纯)、甲基橙指示剂、硫酸铵(分析纯)、金属铝箔(纯度99.9％)、碳酸氧钠(分析纯)、硫酸铁售(分析纯)、硫氰酸钾(分析纯)。
四、实验步骤。
1．溶胶-凝胶法制备纳米batio3粉体。
①计算配置20ml 0.3mol／l的钛酸钡前体溶液所需的醋酸钡(1.53g)和钛酸丁酯（2.
04g）的用量，精确到小数点后3位，用电子天平称量所需钛酸丁酯的质量，并由此计算出实际所需醋酸钡的用。
量，并称出。
②用量杯将8ml冰乙酸加入到烧杯中，用刻度吸管注入2ml去离子水，烧杯放在磁力搅拌器上搅拌，直至醋酸钡完全溶解，再将3mi，无水乙醇和称量瓶里的钛酸丁酯缓慢倒入烧杯中，继续搅拌混合均匀，最后向烧杯中加入无水乙醇，使溶液达到20ml，搅拌均匀，利用盐酸或氨水调节溶液的ph(大约为4)，直至形成溶胶。
③将形成的溶胶放在60℃的干燥箱中干燥得到凝胶，然后在研钵中磨碎烘干好的凝胶．并过45目的筛子，将筛好的原料放人坩埚中，在马弗炉中℃和l000℃煅烧2h(保留小部分凝胶粉末，以备下面实验用)。
2．直接沉淀法制备纳米batio3粉体。
①将ticl4{溶液在冰水浴中进行水解，得到浓度为2.5mol／l清亮透明的tiocl2水溶液。另配置浓度为1.2mol／l的bacl2溶液。
②将tiocl2水溶液和bacl2溶液按照ba和ti的摩尔比为1.07：1 .00的比例进行混合，制得反应液。
③再将预热到一定温度的反应液与浓度太于6mol／l。的naoh溶液按一定比例加入到反应器中，同时搅拌并用ph计检测反应过程，需保持ph不变。反应时间约需要15～20min．
④将所得沉淀物分离、洗涤、烘干并研磨，得到纳米batio3粉体。
3．测定纳米batio3中的钡和钛含量测定。
①准确称量样品0 5g于100ml烧杯中，加人25ml浓盐酸，加热溶解至黄色消失时，五水25ml。继续加热煮沸至样品全部溶解。进行过滤、洗涤操作t并在滤液中加人50ml
乙二胺四乙酸二钠的氨性溶液．调整溶液体积至300ml，加入1～2滴甲基橙指示剂，滴加氧水至溶液刚呈黄色，加热至沸。在不断搅拌下滴加硫酸铵溶液，保温陈化2h，用快速定量滤纸过滤，热水洗涤沉淀直至没有氯离子存在(用硝酸银溶液检验)。在80～85℃妁烧沉。
定至恒重，计算bao的含量。
②准确称量样品0 5g置于500ml锥形瓶中，加12g硫酸铵和30ml硫酸，加热至样品。
普解，冷却后加80ml水和20ml浓盐酸，充分摇匀后加3g金属铝，装上盛有饱和碳酸氢。
曲溶液的液封瓶，当金属铝完全溶解并且溶液颜色呈现出紫色后，用流动水将其冷却至室。
盈。取下液封瓶，将其中的碳酸氢钠饱和溶液倒人锥形瓶中，立刻用硫酸铁铵滴。
三至溶液呈淡紫色。然后加入3ml硫氰酸钾饱和溶液，继续滴定至溶液呈淡红色，30s不。
壁色即为终点。根据所消耗的硫酸铁铵标准溶液体积来计算样品中钛的含量。
4．纳米batio3粉体的物相分析、粒度分布以及形貌表征。
在专职教师的指导下，分别使用x射线衍射仪、激光粒度分析仪以及扫描电镜等大型仪器作为测试手段对纳米batio3粉体进行物相、粒度分布及形貌表征。
五、实验结暴和处理。
1制备纳米batio3粉体制备。
(1)溶胶凝胶法。
理论产量g 实际产量g
产率。2)直接沉淀法。
理论产量g 实际产量g
产率。六、参考文献。
1] 材料化学实验曲荣君北京：化学工业出版社，2008。
一、实验目的。
1. 综合应用水解反应理论和胶体理论，做到有目的合成，提高实验思维与实验技能。
2. 掌握溶胶－凝胶法制备tio2纳米粉体和薄膜的方法。
二、实验原理。
溶胶-凝胶（sol-gel）法是采用胶体化学原理实现纳米材料合成和获得表面薄膜的方法。其工艺的特点是多种学科交叉，主要涉及胶体化学、表面化学、有机化学、结构化学、化学热力学和化学动力学等。sol-gel法的主要特点有：
（1）化学组成和物质结构具有高度可控性和一致性；（2）通过改变加工工艺，可获得不同的制品；（3）反应过程易于控制，反应产物均匀度高达分子或原子尺度，而且产物纯度高；（4）对基体形状的适应性广，不仅能涂覆在大型构件上，也能涂覆在高比表面积的粉体上；（5）工艺条件简单，在低温作业，具有较强的经济合理性。
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