Li2TiO3的軟化學(xué)合成研究.pdf

1、在當(dāng)今人類日益突出的能源短缺和環(huán)境惡化的形勢(shì)下，清潔、可持續(xù)的核聚變能的發(fā)展已引起世界各國(guó)的關(guān)注。Li2TiO3因其優(yōu)良的氚釋放性能，相比于其他材料而言具有更高的熱導(dǎo)性和更好的熱穩(wěn)定性，被認(rèn)為是聚變反應(yīng)堆中最有應(yīng)用前景的氚增殖劑材料之一。然而，現(xiàn)行Li2TiO3合成方法中普遍存在著原料價(jià)格昂貴、制備流程冗長(zhǎng)或成本高等問(wèn)題。
　　基于此，本文利用成本低廉的鈦冶金中間產(chǎn)品TICl4為鈦源，以LiOH·H2O為鋰源，通過(guò)軟化學(xué)法合成Li

2、2TiO3。首先，從熱力學(xué)角度考察了軟化學(xué)合成Li2TiO3的可行性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)熱力學(xué)理論預(yù)測(cè)的可靠性加以證實(shí);探究了TiCl4在軟化學(xué)條件下的水解特性及水解產(chǎn)物的嵌鋰能力;在此基礎(chǔ)上，通過(guò)二步法合成Li2TiO3;同時(shí)，在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)TiCl4原位水解-相轉(zhuǎn)化一步合成Li2TiO3工藝進(jìn)行了優(yōu)化;將得到的Li2TiO3粉體等靜單向壓制得到陶瓷體坯樣，陶瓷體坯樣經(jīng)燒結(jié)致密化得到陶瓷體。具體結(jié)果如下:
　　1)繪制了Li-

3、Ti-H2O系在333.15、363.15、393.15及453.15K、離子活度0.01、0.10和1.00時(shí)的E-pH圖。由Li-Ti-H2O系優(yōu)勢(shì)區(qū)域圖可知:在考察的條件下，水溶液體系中均存在Li2TiO3(hc)的穩(wěn)定區(qū)域，且隨著考察溫度的升高及離子活度的增加，其穩(wěn)定區(qū)域向低pH值方向移動(dòng)，在333.15 K、離子活度0.10的條件下，其穩(wěn)定存在的pH值范圍為12.5～13.6，而在考察453.15K，其他條件保持不變時(shí)，其穩(wěn)定

4、區(qū)域pH值范圍變化到9.9～10.9。熱力學(xué)理論結(jié)果表明:軟化學(xué)條件下合成Li2TiO3是可能的，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了熱力學(xué)理論預(yù)測(cè)的可靠性。
　　2) TICl4水解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在考察的軟化學(xué)條件下，pH值條件對(duì)水解產(chǎn)物的特性有決定性的影響。pH值1.2～4.1條件下得到的產(chǎn)物為低結(jié)晶度的銳鈦礦相TiO2納米顆粒，隨著水解pH值的提高，水解產(chǎn)物的結(jié)晶度及規(guī)則的顆粒形貌隨之消失，pH＞6.0時(shí)得到的產(chǎn)物為無(wú)定形態(tài)水合二氧化鈦

5、。由TiCl4水解產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程的差異可知:不同pH值條件下的水解產(chǎn)物存在特性差異。TICl4水解產(chǎn)物嵌鋰實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:TiCl4在低pH值條件下的水解產(chǎn)物更有利于鋰的嵌入反應(yīng)。
　　3)二步法中，在鋰用量為理論量的3.0倍、cLiOH1.0 mol·L-1及鋰用量為理論量的1.5倍、cLiOH2.0 mol·L-1的條件下，得到了Li2TiO3純物質(zhì);所得粉體壓坯在1100℃下燒結(jié)6h可達(dá)到致密化的效果，得到的燒結(jié)體相對(duì)密

6、度和線性收縮率分別為83.6％ T.D.(基于單晶Li2TiO3的理論密度，3.43 g·cm-3)和9.15％。由于低結(jié)晶度的銳鈦礦相TiO2納米顆粒嵌鋰受體在pH＞11的堿性介質(zhì)條件下會(huì)轉(zhuǎn)變成無(wú)定形的水合TiO2，使得二步法得到的Li2TiO3粉體性能參數(shù)值不高。
　　4)原位水解-相轉(zhuǎn)化工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:鋰用量對(duì)得到的Li2TiO3粉體性質(zhì)的影響很大。在鋰用量為理論量的1.08～1.50倍的條件下，均得到了Li2TiO3