Получение титаната бария с использованием гидротермального синтеза и исследование его свойств

Работа направлена на исследование влияния параметров двухстадийного гидротермального синтеза на фазовый состав и морфологию частиц титаната бария. Титанат бария, обладая классической для сегнетоэлектриков кислородно-октаэдрического типа кристаллической структурой перовскита, является перспективным материалом для пьезоэлектрических преобразователей. Результаты могут быть использованы для прикладных исследований по созданию композитных материалов на основе частиц титаната бария в качестве сегнетофазы, а также в фундаментальных исследованиях термодинамических равновесий в системах Na2O – BaO – TiO2 – H2O в условиях гидротермального синтеза.

Реферат …………………………………………………………………………………………………………. 9

Обозначения и сокращения ………………………………………………………………………….. 10

Введение ……………………………………………………………………………………………………… 14

1 Обзор литературы …………………………………………………………………………………….. 15

1.1 Титанат бария (BaTiO3) …………………………………………………………………….. 15

1.1.1 Структура и свойства …………………………………………………………………….. 15

1.1.2 Применение титаната бария …………………………………………………………… 17

1.1.3 Способы получения титаната бария ……………………………………………….. 18

1.2 Получение титаната бария с использованием гидротермального синтеза 18

2 Экспериментальная часть ………………………………………………………………………….. 22

2.1 Гидротермальный синтез …………………………………………………………………….. 22

2.1.1 Первая стадия синтеза (синтез прекурсора) …………………………………….. 22

2.1.2 Вторая стадия синтеза (синтез титаната бария) ………………………………. 22

2.2. Характеристика синтезированных образцов ………………………………………… 23

3 Анализ и обсуждение полученных результатов …………………………………………. 24

3.1. Свойства прекурсора Ti ………………………………………………………………………. 24

3.2. Эволюция морфологии синтезированного BaTiO3……………………………….. 25

3.3. Фазовый состав BaTiO3 ………………………………………………………………………. 31

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……. 39

4.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………………….. 40

4.2 Определение трудоемкости выполнения работ …………………………………….. 41

4.3 Разработка графика проведения научного исследования ………………………. 43

4.4 Бюджет научно-технического исследования ………………………………………… 44
4.4.1 Расчет материальных затрат …………………………………………………………… 44

4.4.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ …….. 45

4.4.3 Заработная плата исполнителей темы …………………………………………….. 46

4.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды …………………………………………….. 47

4.4.5 Расчёт амортизационных отчислений …………………………………………….. 48

4.4.6 Расчет затрат на электроэнергию ……………………………………………………. 49

4.4.7 Расчет затрат на научные и производственные командировки ………… 50

4.4.8 Накладные расходы ……………………………………………………………………….. 50

4.4.9 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта . 50

4.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной,
социальной и экономической эффективности исследования ……………………… 51

Вывод по разделу ……………………………………………………………………………………… 53

5 Социальная ответственность …………………………………………………………………….. 54

Введение…………………………………………………………………………………………………… 54

5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………. 54

5.2 Производственная безопасность ………………………………………………………….. 57

5.2.1 Отклонение показателей микроклимата в закрытом помещении …….. 58

5.2.2 Повышенный уровень ультразвуковых колебаний (воздушного и
контактного ультразвука)……………………………………………………………………….. 59

5.2.3 Недостаточная освещенность …………………………………………………………. 60

5.2.4 Повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание
которой может произойти через тело человека ……………………………………….. 62

5.2.5 Нервно-психические перегрузки, монотонность трудового процесса . 63

5.3 Экологическая безопасность………………………………………………………………… 64

5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………….. 65
Вывод по разделу ……………………………………………………………………………………… 66

Заключение …………………………………………………………………………………………………. 67

Список использованных источников: …………………………………………………………… 68

Приложение А …………………………………………………………………………………………….. 74

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы был
исследован механизм формирования нано- и микроструктур BaTiO3 с
использованием гидротермального синтеза и прекурсора титаната натрия в виде
нано- и микростержней.
Установлено, что ионный обмен при гидротермальном синтезе приводит
к морфологическому и структурному превращению
нановолокон/микростержней-предшественников титаната натрия в
тетрагональную фазу BaTiO3. В результате варьирования параметров
гидротермальной обработки реакции ионного обмена позволили синтезировать
микростержни BaTiO3 с наночастицами на поверхности и/или агломератами
наночастиц.
Рентгеноструктурный анализ показал, что BaTiO3 является основной
фазой во всех синтезированных образцах, однако при более низкой щелочности
(0,025 M) и температуре (160 °C) обнаружено высокое содержание побочных
продуктов и примесей (около 50 %).
Повышение щелочности и температуры позволяет повысить чистоту
получаемого BaTiO3. В свою очередь, увеличение времени гидротермальной
обработки до 6 ч при 210 °C позволяет установить формирование тетрагональной
фазы по результатам рамановской спектроскопии. При времени синтеза 45 или
90 мин была обнаружена смесь кубической и тетрагональной фаз.
Таким образом, в зависимости от области применения, морфология
микростержней, нановолокон, наночастиц и агрегатов частиц BaTiO3 с
тетрагональной структурой может регулироваться индивидуально путем
изменения температуры, времени и щелочности при гидротермальном синтезе с
использованием микро- и наностержней титаната натрия в качестве прекурсоров
[10].

1. B. Jiang, J. Iocozzia, L. Zhao, H. Zhang, Y.-W. Harn, Y. Chen, Z. Lin Barium
titanate at the nanoscale: controlled synthesis and dielectric and ferroelectric
properties Chem. Soc. Rev., 48 (2019), pp. 1194-1228
2. Y. Cao, K. Zhu, Q. Wu, Q. Gu, J. Qiu Hydrothermally synthesized barium
titanate nanostructures from K2Ti4O9 precursors: morphology evolution and its
growth mechanism Mater. Res. Bull., 57 (2014), pp. 162-169
3. Y.V. Kolen’ko, K.A. Kovnir, A.I. Gavrilov, A.V. Garshev, J. Frantti, O.I.
Lebedev, M. Yoshimura Hydrothermal synthesis and characterization of
nanorods of various titanates and titanium dioxide J. Phys. Chem. B, 110 (9)
(2006), pp. 4030-4038
4. M. Shirpour, J. Cabana, M. Doeff New materials based on a layered sodium
titanate for dual electrochemical Na and Li intercalation systems Energy
Environ. Sci., 6 (2013), pp. 2538-2547
5. I. Andrusenko, E. Mugnaioli, T.E. Gorelik, D. Koll, M. Panthöfer, W. Tremel,
U. Kolb Structure analysis of titanate nanorods by automated electron diffraction
tomography Acta Crystallogr., B67 (2011), pp. 218-225
6. F. Maxim, P.M. Vilarinho, P. Ferreira, I.M. Reaney, I. Levin Kinetic study of
the static hydrothermal synthesis of BaTiO3 using titanate nanotubes precursors
Cryst. Growth Des., 11 (8) (2011), pp. 3358-3365
7. H. Tang, Y. Lin, H.A. Sodano Synthesis of high aspect ratio BaTiO 3 nanowires
for high energy density nanocomposite capacitors Advanced Energy Materials,
3 (4) (2012), pp. 451-456
8. N. Bao, L. Shen, A. Gupta, A. Tatarenko, G. Srinivasan, K. Yanagisawa Size-
controlled one-dimensional monocrystalline BaTiO3 nanostructures Appl. Phys.
Lett., 94 (25) (2009), Article 253109
9. C.K. Jeong, C. Baek, A.I. Kingon, K.-I. Park, S.-H. Kim Lead-free perovskite
nanowire-employed piezopolymer for highly efficient flexible nanocomposite
energy harvester Small, 14 (19) (2018), Article 1704022
10.Surmenev R. A. et al. Hydrothermal synthesis of barium titanate nano/microrods
and particle agglomerates using a sodium titanate precursor //Ceramics
International. – 2021. – Т. 47. – №. 7. – С. 8904-8914.
11.Grendal O. G. et al. Facile low temperature hydrothermal synthesis of BaTiO3
nanoparticles studied by in situ X-ray diffraction //Crystals. – 2018. – Т. 8. – №.
6. – С. 253
12.Материалыдлямедицины,клеточнойитканевойинженерии
[Электронный ресурс] : электрон. учеб. пособие / Т. Г. Волова, Е. И.
Шишацкая, П. В. Миронов. – Электрон. дан. (6 Мб). – Красноярск : ИПК
СФУ, 2009.
13.Свирская С.Н. Пьезокерамическое материаловедение: учебное пособие. –
Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, 2009. – 82 с.
14.Ismail F. A. et al. Dielectric and microstructural properties of BaTiO3 and
Ba0.9925Er0.0075TiO3 ceramics //EPJ Web of Conferences. – EDP Sciences, 2017.
– Т. 162. – С. 01051.
15.G.-T. Hwang, M. Byun, C.K. Jeong, K.J. Lee, Flexible piezoelectric thin-film
energy harvesters and nanosensors for biomedical applications, Adv. Healthcare
Mater. 4 (2014) 646–658.
16.P. Bingger, J. Fiala, A. Seifert, N. Weber, A. Moser, F. Goldschmidtboeing, K.
Foerster, C. Heilmann, F. Beyersdorf, P. Woias, H. Zappe, Implantable multi
sensor system for in vivo monitoring of cardiovascular parameters, Transducers
2009-2009 International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems
Conference, Denver, USA, 2009, pp. 1469–1472.
17.C. Dagdeviren, B.D. Yang, Y. Su, P.L. Tran, P. Joe, E. Anderson, J. Xia, V.
Doraiswamy, B. Dehdashti, X. Feng, B. Lu, R. Poston, Z. Khalpey, R. Ghaffari,
Y. Huang, M.J. Slepian, J.A. Rogers, Conformal piezoelectric energy harvesting
and storage from motions of the heart, lung, and diaphragm, PNAS 5 (2014)
1927–1932.
18.A. Marino, G.G. Genchi, E. Sinibaldi, G. Ciofani, Piezoelectric effects of
materials on bio-interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (2017) 17663–17680.
19.Khomyakova E. et al. On the formation mechanism of Ba 0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3
thin films by aqueous chemical solution deposition //Journal of the European
Ceramic Society. – 2020. – Т. 40. – №. 15. – С. 5376-5383.
20.S.O. Kang et al. Synthesis of single-crystal barium titanate nanorods transformed
from potassium titanate nanostructures Mater. Res. Bull. (2008)
21.J. Zhao et al. Synthesis of thin films of barium titanate and barium strontium
titanate nanotubes on titanium substrates Mater. Lett. (2005)
22.K.J. Zhu et al. Effect of washing of barium titanate powders synthesized by
hydrothermal method on their sinterability and piezoelectric properties Ceram.
Int. (2009)
23.J.J. Urban et al. Synthesis of single-crystalline perovskite nanorods composed
of barium titanate and strontium titanate J. Am. Chem. Soc. (2002)
24.B.A. Hernandez et al. Sol–gel template synthesis and characterization of BaTiO3
and PbTiO3 Chem. Mater. (2002)
25.S.J. Limmer et al. Template-based growth of various oxide nanorods by sol–gel
electrophoresis Adv. Funct. Mater. (2002)
26.Y. Mao et al. Large-scale synthesis of single-crystalline perovskite
nanostructures J. Am. Chem. Soc. (2003)
27.K.C. Huang et al. Morphology-controlled synthesis of barium titanate
nanostructures Inorg. Chem. (2009)
28.M.T. Buscaglia et al. Ferroelectric BaTiO3 nanowires by a topochemical solid-
state reaction Chem. Mater. (2009)
29.M.T. Buscaglial et al. Large-scale synthesis of single-crystalline perovskite
nanostructures J. Am. Chem. Soc. (2003)
30.Cao Y. et al. Hydrothermally synthesized barium titanate nanostructures from
K2Ti4O9 precursors: morphology evolution and its growth mechanism
//Materials research bulletin. – 2014. – Т. 57. – С. 162-169.
31.Villafuerte-Castrejón M. E. et al. Towards lead-free piezoceramics: Facing a
synthesis challenge //Materials. – 2016. – Т. 9. – №. 1. – С. 21.
32.Yang G., Park S. J. Conventional and microwave hydrothermal synthesis and
application of functional materials: A review //Materials. – 2019. – Т. 12. – №.
7. – С. 1177.
33.Y. Li, X.P. Gao, G.R. Li, G.L. Pan, T.Y. Yan, H.Y. Zhu Titanate nanofiber
reactivity: fabrication of MTiO3 (M = Ca, Sr, and Ba) perovskite oxides J. Phys.
Chem. C, 113 (11) (2009), pp. 4386-4394
34.S.-O. Kang, B.H. Park, Y.-I. Kim Growth mechanism of shape-controlled
barium titanate nanostructures through soft chemical reaction Cryst. Growth
Des., 8 (9) (2008), pp. 3180-3186
35.N. Bao, L. Shen, G. Srinivasan, K. Yanagisawa, A. Gupta Shape-controlled
monocrystalline ferroelectric barium titanate nanostructures: from nanotubes
and nanowires to ordered nanostructures J. Phys. Chem. C, 112 (23) (2008), pp.
8634-8642
36.Gao Z. et al. Superior electromagnetic properties obtained by enhanced
resistivity on multiferroic barium titanate and hexaferrite di-phase composite
ceramics //Ceramics International. – 2017. – Т. 43. – С. S85-S91.
37. Kaya İ. C., Kalem V., Akyildiz H. Hydrothermal synthesis of pseudocubic
BaTiO3 nanoparticles using TiO2 nanofibers: Study on photocatalytic and
dielectric properties //International Journal of Applied Ceramic Technology. –
2019. – Т. 16. – №. 4. – С. 1557-1569.
38. Xu T., Wang C. A. Effect of two-step sintering on micro-honeycomb BaTiO3
ceramics prepared by freeze-casting process //Journal of the European Ceramic
Society. – 2016. – Т. 36. – №. 10. – С. 2647-2652.
39.Sun, W.; Pang, Y.; Li, J.; Ao, W. Particle Coarsening II: Growth Kinetics of
Hydrothermal BaTiO3. Chem. Mater. 2007, 19, 1772–1779.
40.Inada, M.; Enomoto, N.; Hayashi, K.; Hojo, J.; Komarneni, S. Facile synthesis
of nanorods of tetragonal barium titanate using ethylene glycol. Ceram. Int.
2015, 41, 5581–5587.
41.Cai, W.; Rao, T.; Wang, A.; Hu, J.; Wang, J.; Zhong, J.; Xiang, W. A simple and
controllable hydrothermal route for the synthesis of monodispersed cube-like
barium titanate nanocrystals. Ceram. Int. 2015, 41, 4514–4522.
42.Dutta, P.K.; Gregg, J.R. Hydrothermal synthesis of tetragonal barium titanate
(BaTiO3). Chem. Mater. 1992, 4, 843–846.
43.Li J. et al. Synthesis of highly disperse tetragonal BaTiO3 nanoparticles with
core–shell by a hydrothermal method //Journal of Asian Ceramic Societies. –
2017. – Т. 5. – №. 4. – С. 444-451.
44.Y. Shiratori, C. Pithan, J. Dornseiffer, R. Waser Raman scattering studies on
nanocrystalline BaTiO3 Part I—isolated particles and aggregates J. Raman
Spectrosc.: An International Journal for Original Work in all Aspects of Raman
Spectroscopy, Including Higher Order Processes, and also Brillouin and
Rayleigh Scattering, 38 (10) (2007), pp. 1288-1299
45.M. Özen, M. Mertens, F. Snijkers, P. Cool Hydrothermal synthesis and
formation mechanism of tetragonal barium titanate in a highly concentrated
alkaline solution Ceramics International, 42 (9) (2016), pp. 10967-10975
46.P. Pasierb, S. Komornicki, M. Rokita, M. Rȩkas Structural properties of Li 2CO3–
BaCO3 system derived from IR and Raman spectroscopy J. Mol. Struct., 596 (1–
3) (2001), pp. 151-156
47.Юрасов Ю. И. Прогнозирование свойств бессвинцовых пьезокерамик и
модификация конструкции вибродатчиков на основе свинецсодержащих
композиций/ Ю.И. Юрасов, А.В. Назаренко, А.В. Павленко, И.А. Вербенко
// Наука Юга России. – 2017. – Т. 13. – № 4. – С. 23-31.
48.Гаврикова Н.А., Тухватулина Л.Р., Видяев И.Г., Серикова Г.Н.,
Шаповалова Н.В. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение:учебно-методическоепособие:Томский
политехническийуниверситет.–Томск:Изд-воТомского
политехнического университета, 2014. – 73 с.
49.Генеральноесоглашениемеждуобщероссийскимиобъединениями
профсоюзов,общероссийскимиобъединениямиработодателейи
Правительством Российской Федерации на 2018 – 2020 годы.
50.Трудовой кодекс Российской Федерации от 30.12.2001 №197-ФЗ (ред. от
09.03.2021).
51.Федеральный закон от 28.12.2013 N 426-ФЗ (ред. от 30.12.2020) “О
специальной оценке условий труда” (с изм. и доп., вступ. в силу с
01.01.2021).
52.ГОСТ 12.2.032-78. Система стандартов безопасности труда. Рабочее место
при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования.
53.ГОСТ 12.0.003–2015 ССБТ. Опасные и вредные факторы. Классификация.
54.СанПиН2.2.4.548-96Гигиеническиетребованиякмикроклимату
производственных помещений.
55.ГОСТ 12.1.001-89 Система стандартов безопасности труда. Ультразвук.
Общие требования безопасности.
56.СНиП 23-05-95* Естественное и искусственное освещение.
57.ГОСТ 12.1.038-82. ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые
значения напряжений прикосновения и токов.
58. ГОСТ 12.2.051-80. Государственный стандарт Союза ССР. Система
стандартовбезопасноститруда.Оборудованиетехнологическое
ультразвуковое. Требования безопасности.
59.ГОСТ 12.4.051-87. Средства индивидуальной защиты органов слуха.
60.Методическиеуказания”Расчетискусственногоосвещения”:
[Электронныйресурс]:URL:
https://stud.lms.tpu.ru/pluginfile.php/1246027/mod_resource/content/1/МУ%2
0Расчет%20искусственного%20освещения.pdfдатаобращения
(25.03.2021).