《Bi4Ti3O12基Aurivillius化合物設計、結構調控和性能研究》是依託北京理工大學，由李靜波擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Bi4Ti3O12基Aurivillius化合物設計、結構調控和性能研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：李靜波
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Aurivillius化合物是一類層狀鈣鈦礦衍生結構氧化物，具有諸多優異的物化性能和廣闊套用前景。Aurivillius化合物的性能與其獨特的層狀結構直接相關，但關於這類化合物成分─結構─性能關係的研究還較欠缺，制約了其性能調控和新型化合物的開發。本課題以Bi4Ti3O12為研究對象，採用A位、B位和A/B位離子複合替代，研究替代離子尺寸效應和電負性對離子占位分布、結構畸變和有序-無序轉變等結構變化的影響規律，揭示影響結構穩定性的主要因素，結合鐵電、介電和光催化等性能表征，建立Aurivillius化合物成分─結構─性能關係。設計和製備新型混合層狀結構Aurivillius化合物，研究化合物結構中兩種鈣鈦礦結構單元間及其與(Bi2O2)層間的匹配關係，揭示影響化合物結構穩定性的關鍵因素和成相規律。項目研究將為新型Aurivillius化合物的設計與開發奠定理論和實驗基礎。
結題摘要
根據項目研究計畫，以Bi4Ti3O12為研究對象，B位採用Fe/Nb/Ta離子替代，A位採用稀土離子（La、Nd、Sm和Gd）、鹼金屬和鹼土金屬（Na、K、Sr、Ca和Ba）離子替代/摻雜，製備了不同成分和混合層化合物陶瓷，系統研究了A、B和A/B 位複合替代和摻雜對化合物的晶體結構、鐵電轉變溫度、介電和磁性的影響；採用氬氣退火研究了材料高溫漏電機制；製備了Bi5Ti3FeO15/BiOCl納米片異質結和複合薄膜及TiO2/BaTiO3核殼納米管陣列，研究了鐵電複合對材料光催化性能的影響及其機制。研究發現，Bi4Bin-3Ti3Fen-3O3n+3系列化合物當n=＞6時，以及4/5層混合層化合物中，存在明顯的結構和成分不均勻；B位大尺寸離子替代導致的晶格畸變，不但增強鐵電畸變也引入晶格應變能，在奇數層化合物中引起的晶格穩定性降低比偶數層化合物更顯著，導致奇/偶層Bi4Ti3O12基化合物表現出不同的Tc變化趨勢；Nb和Ta離子能夠抑制材料漏電損耗；A位RE離子替代減小了化合物的鐵電畸變，但隨離子尺寸減小，稀土離子弱化鐵電畸變的作用降低，其Tc變化趨勢基本符合容忍因子與Tc的關係；隨RE離子尺寸減小，對漏電損耗的抑制作用降低；Na/Gd複合替代的Bi4Na0.5Gd0.5Ti4O15陶瓷高溫導電激活能高達1.51eV，電導率比Bi4Ti3O12降低了2個多數量級，具有較好的高溫壓電和鐵電材料的套用潛力；Sr摻雜Bi4Ti3O12會誘導電價補償氧空位生成，降低陶瓷晶內電阻和高溫晶界電阻，但通過電荷補償作用可以抑制材料低溫晶界電導；3/4層混合層化合物Bi9Ti6FeO27和Bi8LaTi6FeO27表現出優異的低漏電和高鐵電極化率特性，證明混合層狀化合物是改善Aurivillius化合物套用性能的有效途徑；採用Ar氣退火證明了氧空位離子遷移是導致材料高溫電導和弛豫行為的主要因素；Bi5Ti3FeO15/BiOCl納米片異質結可見光降解RhB的效率遠高於單相材料和P25，其極化複合薄膜的光電化學研究證明了鐵電極化內建電場可以促進載流子分離，導致高可見光催化活性；TiO2/BaTiO3納米管的光電流密度和光轉化效率是純TiO2納米管的2倍和2.7倍，光電化學實驗證明核殼結構明顯提高了光生載流子分離效率，是導致複合材料高光催化活性的主要原因。
