因为钙钛矿结构在高温下稳定,同时从热力学平衡的角度来看也是非常稳定,因此钙钛矿型氧化物只能在高于1273K的温度下才能形成。用于制备钙钛矿型氧化物的简单而常见的方法为固相反应法,即将起始物(通常是简单的氧化物以及碳酸盐)在温度高于1273K的情况下烧结而成。然而,高温煅烧会导致所得钙钛矿型氧化物粉末的BET(Burumauer-Emmott-Teller)比表面积较小,通常会低于10m2/g。许多行业,尤其是催化剂及SOFC和电池与/或电解所使用的电极,需要制备出具有较大比表面积的钙钛矿型氧化物粉末,也就是细颗粒。为获得细颗粒钙钛矿型氧化物,一些先进合成方法中通常会使用有机化合物。但是,制备具有大表面积的钙钛矿型氧化物粉末是难度很大的工程,而且其BET比表面积通常低于50m2/g。当考虑到比表面积(S)和球形颗粒直径(D)之间的关系[21]时,就易于理解为何会存在上述局限性,即
S=6/(ρD)(1.1)
式中 ρ——样品的密度。
图1.10示出了球体几何表面积(S)与直径(D)之间的关系:钙钛矿型氧化物LaCoO3的密度远远低于一般简单氧化物的密度,如MgO或Al2O3。因此,为了获得高比表面积,如100m2/g,那么就需要钙钛矿型氧化物的颗粒必须小于10nm,但这是难以实现的。
图1.10 球体的几何表面积(S)与颗粒直径(D)之间的关系
图1.11为用于制备大表面积钙钛矿型氧化物液相合成法的一般步骤。在此方法中,保证前驱体溶液中组分元素达到原子级别的分散度是非常必要的。基于分散方式的不同,液相制备方法可以分成三类(见表1.4)。第一类技术是使用诸如超声波振动或者超临界条件等方式达到较高分散度。在合成BaTiO3细颗粒时,采用了微波技术来加热含有BaCl2、异丙氧基钛及KOH的前驱体。有报道表明,已经成功制备了尺寸为20~30nm的BaTiO3钙钛矿粉末[22]。第二类技术则侧重于使用能限制钙钛矿前驱体大小的胶束。有研究者报道,利用反胶束制备的LaMnO3用作金属空气电池阳极时具有较高的电极活性。最后,第三类技术是利用有机化合物在前驱体溶液中获得原子水平的分散度。在很多情况下,通常通过加入氨水来获得均匀的钙钛矿前驱体沉淀。然而,因为沉淀速率存在差异,让组分元素以分子水平均匀分布存在很大难度。
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图1.11 液相合成方法的一般步骤
表1.4 钙钛矿型氧化物的初步液相合成方法
Teraoka等人报道了用有机配位化合物制备钙钛矿型氧化物[23]。他们发现加入冰醋酸或顺丁烯二酸可降低晶化温度,从而有助于获得微细粉末钙钛矿型氧化物。图1.12显示了通过不同方法合成的及组分不同的LaMnO3钙钛矿型氧化物与C3H8氧化速率及BET表面积之间的关系。显然,随着LaMnO3的BET比表面积增加,C3H8的氧化速率单调递增,同时也很容易理解,对于提高钙钛矿型氧化物的表面活性来说,制备方法是多么的重要。
图1.12 不同方法制备的LaMnO3钙钛矿型氧化物对C3H8的氧化速率与其BET表面积的关系(其中,LM,LaMnO3;LSM82,La0.8Sr0.2MnO3;LSM64,La0.6Sr0.4MnO3;LCM82,La0.8Ca0.2MnO3;LCM64,La0.6Ca0.4MnO3)
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