专利摘要
本发明首次开发了一种ZnSb化合物的超快速固相合成方法,它以Zn粉、Sb粉为主要原料,首先将原料混合均匀后压实,然后对混合原料直接通入直流电,在电流作用下,短时间内即可制备得到ZnSb单相化合物。本发明涉及的工艺超简单、制备时间超短,且反应条件温和,易于精确控制成分,可为ZnSb化合物的规模化制备和大规模应用奠定良好的基础。
权利要求
1.一种超快速制备ZnSb化合物的方法,包括如下步骤:以Zn粉、Sb粉为原料,首先将原料混合均匀,再将所得混合原料装入模具中压实,对压实后的混合原料通入直流电,在电流作用下反应制备得到ZnSb单相化合物;
所述直流电的电流密度为1.5~20A/cm
所述Zn粉、Sb粉的摩尔比为1:1;
所述直流电包括恒定直流电或脉冲直流电;
所述直流电通入时间为60s以内。
2.权利要求1所述方法制备的ZnSb化合物。
说明书
技术领域
本发明属于材料合成技术领域,具体涉及一种超快速制备ZnSb化合物的方法。
背景技术
ZnSb材料,作为二元锑化物之一,具有较低的热导率、较高的电导率及较强的热稳定性,引起了热电、锂离子电池阳极、相变储存器等领域的极大关注。
目前,ZnSb材料的合成主要有高温真空熔炼法、固相反应法、湿化学法、电化学法等;其中高温处理容易加速Zn的挥发,造成成分的难以控制;湿化学法易引入杂质,造成污染,且过程较为繁琐、耗时耗能;电化学法往往需要使用有机溶剂,对反应设备依赖性高,且电化学测量及电沉积实验条件要求高(需调控电解液、pH条件等)。因此,寻求一种简便节能、绿色环保,并可避免长时间高温处理的合成技术显得迫在眉睫。
发明内容
本发明的主要目的在于,针对现有技术存在的不足,提供一种超快速制备ZnSb化合物的方法,其涉及的工艺简单易行、制备时间超短,且易于精确控制成分,可为ZnSb化合物的规模化制备和大规模应用奠定良好的基础。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案为:
一种超快速制备ZnSb化合物的方法,包括如下步骤:以Zn粉、Sb粉为原料,首先将原料混合均匀,再将所得混合原料装入模具中压实,直接对压实后的混合原料通入直流电,在电流作用下反应制备得到ZnSb单相化合物。
上述方案中,所述Zn粉、Sb粉的摩尔比为1:1。
上述方案中,所述直流电包括恒定直流电或脉冲直流电。
上述方案中,所述直流电的电流密度大小为1.5A/cm2以上。
优选的,所述直流电的电流密度大小为1.5~20A/cm2。
上述方案中,所述直流电通入时间为60s以内。
根据上述方案合成的ZnSb化合物,它具有良好的单相性。
本发明的原理为:
本发明采用固相合成工艺,以Zn粉、Sb粉为原料,混合均匀后通过引入直流电,先在Zn颗粒与Sb颗粒界面上形成Zn4Sb3化合物,此化合物为快离子导体,其晶格中Zn可以在电流作用下迁移,使原料中的Sb可以进一步与迁移过来的Zn反应形成ZnSb化合物,原料中的Zn则源源不断补充进入Zn4Sb3晶格,如此循环迭代,最终短时间内快速形成目标产物ZnSb;在这个过程中,中间产物Zn4Sb3在电流下形成的超快速离子通道是反应快速进行的原因,显著区别于传统电化学过程中电流作用下的得失电子行为。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
1)本发明首次公开了一种ZnSb化合物的超快速固相合成工艺,针对Zn粉、Sb粉固体原料,直接利用不大的直流电在60s内即可得到单相性良好的目标产物,避免了传统方法复杂的制备过程,涉及的工艺超简单、制备时间超短,可显著降低能耗;且无需依赖特定反应设备,适用性广。
2)本发明涉及的反应条件温和,所得产物与目标设计产物(ZnSb)化学计量比一致;原料配比简单、易控,无需额外调节化学计量比,易于精确控制成分。
附图说明
图1为实施例1所得产物的XRD图谱。
图2为实施例1所得产物A1新鲜断面的场发射扫描电镜图。
图3为实施例2所得产物的XRD图谱。
图4为实施例2所得产物A2新鲜断面的场发射扫描电镜图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中,采用的Zn粉和Sb粉均为市售产品,纯度均为4N。
实施例1
一种采用恒定直流电超快速制备ZnSb化合物的方法,具体步骤如下:
1)将Zn粉和Sb粉按1:1的摩尔比进行称量,共4组,每组4g,分别编号为A1、B1、C1和D1;
2)将每组原料分别置于玛瑙研钵中,研磨20min,得均匀的混合粉体(混合原料);
3)将每组混合粉体分别装入Φ16mm的BN模具中,上下端用导电良好的石墨压头压实,分别在不同电流作用下反应制备得到ZnSb单相化合物;其中A1、B1、C1和D1条件分别为:3A/60s,10A/48s,20A/40s及30A/25s,分别对应的电流密度为1.5A/cm2,5A/cm2,10A/cm2,15A/cm2。
通电反应结束后,对所得产物分别进行物相分析(XRD分析),如图1所示,所得产物A1、B1、C1和D1均为单相ZnSb化合物,表明不大的恒定直流电可以在非常短的时间内促进ZnSb的合成。
图2为A1产物新鲜断面的场发射扫描电镜图,其中晶粒硕大,表明材料结晶性良好。
实施例2
一种采用脉冲直流电超快速制备ZnSb化合物的方法,具体步骤如下:
1)将Zn粉和Sb粉按1:1的摩尔比进行称量,共4组,每组4g,分别编号为A2、B2、C2和D2;
2)将每组原料分别置于玛瑙研钵中,研磨20min,得均匀的混合粉体(混合原料);
3)将每组混合粉体分别装入Φ16mm的BN模具中,上下端用导电良好的石墨压头压实,分别在不同电流作用下反应制备得到ZnSb单相化合物;其中ON/OFF脉冲时间设为30ms,A2、B2、C2和D2其余条件分别为:3A/60s,10A/45s,20A/38s及30A/28s,分别对应的电流密度为1.5A/cm2,5A/cm2,10A/cm2,15A/cm2。
通电反应结束后,对所得产物分别进行物相分析(XRD分析),如图3所示,所得产物A2、B2、C2和D2均为单相ZnSb化合物。与恒定直流电效果类似,不大的脉冲直流电可以在非常短的时间内促进ZnSb的合成。
图4为A2产物新鲜断面的场发射扫描电镜图,其中晶粒硕大,表明材料结晶性良好。
对比例
一种应用脉冲电化学技术制备ZnSb化合物的方法,(参照文献:刘丹,Zn-Sb纳米膜热电材料的脉冲电化学法制备及性能研究[D],长沙理工大学,2009),具体包括如下步骤:
1)采用ZnCl2、SbCl3主盐,在电化学工作站CHI602B中进行脉冲电化学电沉积实验;
2)控制条件:pH=1.0~3.0,温度25~40℃,占空比5%~10%,主盐浓度的摩尔浓度比(nZn2+/(nZn2++nSb3+))为0.3~0.6,电流密度1~7A/dm2;
3)30min后得到ZnSb纳米薄膜。
可以看出,采用电化学法合成ZnSb化合物,对电沉积设备、电解液体系的要求较高,需对电解液的浓度、pH条件等进行调控;且废弃电解液对环境污染大,不利于推广应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干改进和变换,这些都属于本发明的保护范围。
一种超快速制备ZnSb化合物的方法专利购买费用说明
Q:办理专利转让的流程及所需资料
A:专利权人变更需要办理著录项目变更手续,有代理机构的,变更手续应当由代理机构办理。
1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2:按规定缴纳著录项目变更手续费。
3:同时提交相关证明文件原件。
4:专利权转移的,变更后的专利权人委托新专利代理机构的,应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A:(1)直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,(2)通过代办处缴纳,(3)通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q:专利转让变更,多久能出结果
A:著录项目变更请求书递交后,一般1-2个月左右就会收到通知,国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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