高純碳酸鋇的制備及其應用研究

＊張波 萬洋 曾開文 柏景榮 王朝廷 張江江

（貴州紅星發展股份有限公司 貴州 561201）

隨著科技的不斷發展，先進材料科學成為了研究的熱點領域。其中，高純碳酸鋇因其獨特的物理和化學性能，在先進材料科學中具有廣泛的應用潛力。然而，如何制備出具有高純度、良好晶體結構的高純碳酸鋇成為研究的重點。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材料科學中的應用。

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、超聲波化學法、微波輔助合成法、超重力法。當前制備高純碳酸鋇的方法存在一定的局限性，如工藝復雜、合成轉化率不高、原料利用率低等問題。存在的問題主要有工藝復雜、合成轉化率不高、原料利用率低、導致資源浪費及制備過程中環境污染。針對上述問題，本研究擬采用以下方法進行解決：優化制備工藝、簡化流程、降低副產物產生、提高合成轉化率、提高原料利用率、探索綠色制備方法及降低環境污染等。

1.實驗部分

(1)主要實驗材料及儀器

實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

原料的預處理，將碳酸鈣和碳酸鈉分別干燥至恒重，粉碎至適當粒度，平均粒徑D50控制10μm；將碳酸鈉和碳酸鈣按照質量比為1.05:1的比例進行混合均勻；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行反應，微波的溫度為250℃，微波功率為550W。反應結束后，將產物分離、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℃條件下進行固態反應，生成碳酸鋇。經分離與純化得到產品。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；通過調節pH值為8.5±0.1。進行沉淀反應，將溶液中的鋇離子和碳酸根離子在45℃下反應，生成碳酸鋇沉淀；分離與純化，將得到的碳酸鋇沉淀與反應溶液分離，通過洗滌、干燥等步驟進行純化。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、環己烷和乙醇混合均勻后，混合質量比為1:0.2:1:0.2:0.1，加入混合液質量分數為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、環己烷和乙醇混合均勻后，加入質量分數為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行完全反應；經離心分離、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生沉淀反應；經離心分離、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，在超聲波輻射下進行反應，得到碳酸鋇沉淀物。經離心分離、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，將鋇源溶液和碳酸鹽溶液混合，在超重力條件下進行反應，得到碳酸鋇沉淀物。將沉淀物進行離心分離，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.結果及評價

通過對比實驗結果，發現微波輔助合成法得到的高純碳酸鋇具有較好的晶體結構和純度。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，在材料科學領域得到廣泛關注。本研究分析了影響產物純度的因素，并優化了工藝條件[1]。經測試平均粒徑D50在1μm左右。采用XRD進行測試并判定產品為碳酸鋇粉末，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℃），通過固態反應生成碳酸鋇。避免了高溫燒結過程中產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，生成碳酸鋇沉淀。通過調節溶液的pH值、反應溫度、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定性，可以實現對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌的有效調控[4]。

模板法有利于保持碳酸鋇粒子的穩定性，利用模板的特性，可以實現對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌的有效調控，有利于實現產業化生產[5]。

超聲波化學法具有反應速度快的優點，超聲波的高能量使反應速率顯著提高，縮短了制備時間。超聲波法能夠實現對碳酸鋇粒子的尺寸和形貌有效調控[6]。

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

3.應用

高純碳酸鋇在先進材料科學中的應用主要包括：

(1)作為先進陶瓷材料的高純度填料

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

(2)制備高性能的鋰離子電池負極材料

鋰離子電池因具有充放電速度快、能量密度高等優點，已成為目前新能源汽車和便攜式電子設備等領域的主要能源來源[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反應中起著至關重要的作用，可以提高反應速率，降低反應活化能，從而實現高效、綠色和可持續的化學過程[12-13]。

(4)應用于光學、電子和磁性材料等領域

碳酸鋇具有良好的光學性能、電子性能和磁性。在光學領域，碳酸鋇晶體具有較高的折射率和光損傷閾值，可應用于光學元件和光學存儲介質[14]。

4.結語

高純碳酸鋇在先進材料科學中的應用研究涉及多個領域。其優良的物理、化學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。