高纯碳酸钡的制备及其应用研究

＊张波 万洋 曾开文 柏景荣 王朝廷 张江江

（贵州红星发展股份有限公司 贵州 561201）

随着科技的不断发展，先进材料科学成为了研究的热点领域。其中，高纯碳酸钡因其独特的物理和化学性能，在先进材料科学中具有广泛的应用潜力。然而，如何制备出具有高纯度、良好晶体结构的高纯碳酸钡成为研究的重点。本文通过对多种制备方法的比较，探讨了高纯碳酸钡的制备过程及其在先进材料科学中的应用。

碳酸钡的制备方法主要有液相沉淀法、微乳液法、低温固相合成法、模板法、超声波化学法、微波辅助合成法、超重力法。当前制备高纯碳酸钡的方法存在一定的局限性，如工艺复杂、合成转化率不高、原料利用率低等问题。存在的问题主要有工艺复杂、合成转化率不高、原料利用率低、导致资源浪费及制备过程中环境污染。针对上述问题，本研究拟采用以下方法进行解决：优化制备工艺、简化流程、降低副产物产生、提高合成转化率、提高原料利用率、探索绿色制备方法及降低环境污染等。

1.实验部分

(1)主要实验材料及仪器

实验所需的主要材料包括碳酸钠、氢氧化钡、盐酸等。碳酸钠纯度≥99.8%；氢氧化钡纯度≥98%；盐酸级别为CP级。

实验仪器包括：磁力搅拌器为上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司生产的MYP19-2A型；粒度分析仪为珠海欧美克仪器有限公司的NS-90Z型；X射线衍射仪（XRD）为德国布鲁克公司生产的D8 ADVANCE型。

(2)高纯碳酸钡的制备

本文采用了液相沉淀法、微乳液法、低温固相合成法、模板法、超声波化学法、微波辅助合成法、超重力法、溶剂萃取法和盐酸法等多种制备方法。

①微波辅助合成法

原料的预处理，将碳酸钙和碳酸钠分别干燥至恒重，粉碎至适当粒度，平均粒径D50控制10μm；将碳酸钠和碳酸钙按照质量比为1.05:1的比例进行混合均匀；将混合物加入溶剂中，混合物与溶剂的比例为1:1，搅拌均匀后放入微波合成仪进行反应，微波的温度为250℃，微波功率为550W。反应结束后，将产物分离、洗涤、真空干燥。工艺流程如图1所示。

图1 微波辅助合成工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram of microwave-assisted synthesis process

②低温固相合成法

将碳酸钙、氧化钡、碳酸钠按照1:0.5:1.05的混合均匀；将混合好的原料粉末在50℃条件下进行固态反应，生成碳酸钡。经分离与纯化得到产品。工艺流程如图2所示。

图2 低温固相合成工艺流程示意图Fig.2 The diagram of low temperature solid state synthesis process

③液相沉淀法

配制原料溶液，根据所需的碳酸钡性能，配制合适的钡离子和碳酸根离子的溶液；通过调节pH值为8.5±0.1。进行沉淀反应，将溶液中的钡离子和碳酸根离子在45℃下反应，生成碳酸钡沉淀；分离与纯化，将得到的碳酸钡沉淀与反应溶液分离，通过洗涤、干燥等步骤进行纯化。工艺流程如图3所示。

图3 液相沉淀法工艺流程示意图Fig.3 The diagram of liquid precipitation process

④微乳液法

将氢氧化钠、油酸、水、环己烷和乙醇混合均匀后，混合质量比为1:0.2:1:0.2:0.1，加入混合液质量分数为50%的碳酸氢铵水溶液，形成碳酸盐微乳液；将氢氧化钠、油酸、水、环己烷和乙醇混合均匀后，加入质量分数为50%的硝酸钡水溶液，形成钡盐微乳液；室温下，将得到的碳酸盐微乳液缓慢加入得到的钡盐微乳液中进行完全反应；经离心分离、洗涤及干燥最终得到纳米碳酸钡粉体。工艺流程如图4所示。

图4 微乳液法工艺流程示意图Fig.4 Schematic diagram of microemulsion process

⑤模板法

将硝酸钡或氯化钡溶解于水中，得到钡源溶液；将碳酸氢钠或碳酸钠溶解于水中，得到碳酸盐溶液；将钡源溶液与碳酸盐溶液混合，并在搅拌下加入模板溶液，使钡离子与碳酸根离子在模板上发生沉淀反应；经离心分离、洗涤及干燥后得到碳酸钡粉末。工艺流程如图5所示。

图5 模板法工艺流程示意图Fig.5 Process flow diagram of template method

⑥超声波化学法

将硝酸钡或氯化钡固体溶解于水中，得到钡源溶液；将碳酸氢钠或碳酸钠固体溶解于水中，得到碳酸盐溶液。将钡源溶液和碳酸盐溶液混合，在超声波辐射下进行反应，得到碳酸钡沉淀物。经离心分离、洗涤及干燥后得到碳酸钡粉末。工艺流程如图6所示。

图6 超声波化学法工艺流程示意图Fig.6 Schematic diagram of ultrasonic chemical process

⑦超重力法

将硝酸钡或氯化钡固体溶解于水中，得到钡源溶液；将碳酸氢钠或碳酸钠固体溶解于水中，得到碳酸盐溶液。超重力反应，将钡源溶液和碳酸盐溶液混合，在超重力条件下进行反应，得到碳酸钡沉淀物。将沉淀物进行离心分离，收集沉淀物。工艺流程如图7所示。

图7 超重力法工艺流程示意图Fig.7 The diagram of high gravity process flow

2.结果及评价

通过对比实验结果，发现微波辅助合成法得到的高纯碳酸钡具有较好的晶体结构和纯度。平均粒径D50如图8所示。

图8 各工艺方法下样品的平均粒度对比结果Fig.8 The average particle size of samples under each process was compared

采用XRD测试各工艺条件下制备样品的晶粒尺寸，如图9所示。

图9 各工艺方法下样品的晶粒尺寸对比结果Fig.9 The results of grain size comparison of the samples under each process

微波辅助合成法作为一种绿色、高效的合成方法，在材料科学领域得到广泛关注。本研究分析了影响产物纯度的因素，并优化了工艺条件[1]。经测试平均粒径D50在1μm左右。采用XRD进行测试并判定产品为碳酸钡粉末，其晶粒尺寸为15nm。

低温固相合成法是指在低温条件下（通常低于100℃），通过固态反应生成碳酸钡。避免了高温烧结过程中产生的污染和能耗问题[2]。

沉淀法是利用溶液中钡离子（Ba2+）和碳酸根离子（CO32-）之间的反应，生成碳酸钡沉淀。通过调节溶液的pH值、反应温度、离子浓度等条件，在温度110～120℃，压力为1.8MPa的情况下，得到晶粒尺寸20nm的钛酸钡粉体[3]。

微乳液法有利于保持碳酸钡粒子的稳定性，可以实现对碳酸钡粒子的尺寸和形貌的有效调控[4]。

模板法有利于保持碳酸钡粒子的稳定性，利用模板的特性，可以实现对碳酸钡粒子的尺寸和形貌的有效调控，有利于实现产业化生产[5]。

超声波化学法具有反应速度快的优点，超声波的高能量使反应速率显著提高，缩短了制备时间。超声波法能够实现对碳酸钡粒子的尺寸和形貌有效调控[6]。

超重力法反应速度快，反应速率显著提高。反应条件温和，能够在较低温度下进行反应，有利于保持碳酸钡粒子的稳定性[7]。

3.应用

高纯碳酸钡在先进材料科学中的应用主要包括：

(1)作为先进陶瓷材料的高纯度填料

碳酸钡（BaCO3）作为一种广泛应用于化工、建材、冶金、陶瓷等领域的矿物原料，因其高纯度、良好的物理性能和化学性能而受到关注[8-9]。

(2)制备高性能的锂离子电池负极材料

锂离子电池因具有充放电速度快、能量密度高等优点，已成为目前新能源汽车和便携式电子设备等领域的主要能源来源[10-11]。

(3)作为催化剂和催化剂载体

催化剂和催化剂载体在化学反应中起着至关重要的作用，可以提高反应速率，降低反应活化能，从而实现高效、绿色和可持续的化学过程[12-13]。

(4)应用于光学、电子和磁性材料等领域

碳酸钡具有良好的光学性能、电子性能和磁性。在光学领域，碳酸钡晶体具有较高的折射率和光损伤阈值，可应用于光学元件和光学存储介质[14]。

4.结语

高纯碳酸钡在先进材料科学中的应用研究涉及多个领域。其优良的物理、化学和生物性能使得高纯碳酸钡成为众多高性能材料的重要原料。