天津大学钟澄团队：粒径均匀可控的高四方性钛酸钡的简便、环保水热合成

粒径均匀可控的高四方性钛酸钡的简便、环保水热合成

王婷婷，庞萧萧，刘斌，刘杰，申静，钟澄

钛酸钡因其优异的介电、铁电和压电性能，在介电陶瓷工业特别是多层陶瓷电容器（MLCCs）中具有广泛的应用前景。面对未来电子器件微型化、高集成的发展趋势，对具有薄介电层和高容量的MLCCs的需求大大增加，进而对介电层的主要原料钛酸钡粉体的晶体特性和粒径等指标提出了更高的要求。本文采用简单的一步水热法合成了同时兼顾高四方性、良好形貌和可控粒径的钛酸钡粉体，在MLCCs薄介电层的发展中具有重要应用价值。

文章亮点

(1) 系统探索了最佳溶剂与水热时间，获得了兼具高四方性、良好形貌与可控粒径的钛酸钡；

(2) 系统地研究了水热法合成钛酸钡的晶体结构与粒径分布特性；

(3) 结合晶格特征揭示钛酸钡的核壳结构，分析了四方性的粒径依赖性。

对多层陶瓷电容器（MLCCs）需求的不断增长，促进了高四方性、良好形貌、可控粒径的高性能钛酸钡粉体的发展。然而，用水热法制备兼顾高四方性、良好形貌、可控粒径的钛酸钡粉体仍比较困难，这限制了钛酸钡粉体的进一步应用。因此，研究水热过程对钛酸钡结构和粒径等指标的调控对于提高钛酸钡的合成质量具有非常重要的意义。

本文采用简单的一步水热法（无需额外的热处理和添加剂）合成了四种钛酸钡粉体，系统地研究了水热法合成钛酸钡的晶体结构与粒径分布特性，获得了兼具高四方性、良好形貌与可控粒径的钛酸钡。合成的四种钛酸钡粉体都存在高度的四方畸变，四方性值超过1.009，在保持高四方性的同时均表现出良好的均匀性，颗粒分散，粒径分布窄。

图1 （a–d）水热合成四种钛酸钡的SEM图像，（e–f）对应的粒径分布直方图

结合高倍透射电镜呈现的晶格信息，进一步研究了钛酸钡颗粒的内部结构。钛酸钡的晶体结构也明显地呈现了四方相和立方相之间的结构畸变和晶格差异。钛酸钡的核壳结构可以归因于颗粒表面区域自发极化随着钛酸钡的粒径减小而减弱引起的结构畸变，从而在四方相钛酸钡颗粒表面形成了立方相壳层。立方壳层的存在以及水热过程中形成的羟基缺陷会导致四方晶体中形成立方相，因此，钛酸钡的四方性随着粒径的减小而逐渐降低，体现出四方性的粒径依赖性。

图2 水热合成钛酸钡颗粒的核壳结构示意图

本工作提供了简便环保、易规模化的水热法，合成的钛酸钡粉体兼具了高四方性、高分散性、良好形貌、可控粒径等特性。此外，钛酸钡核壳结构和晶体结构进一步阐明了四方性的粒径依赖性。这些结果对提高钛酸钡粉体的水热合成质量以及满足MLCCs薄介电层的高要求至关重要。

Tingting Wang, Xiaoxiao Pang, Bin Liu, Jie Liu, Jing Shen, Cheng Zhong. A Facile and Eco-Friendly Hydrothermal Synthesis of High Tetragonal Barium Titanate with Uniform and Controllable Particle Size. Materials 2023, 16, 4191.

 https://doi.org/10.3390/ma16114191

钟澄，天津大学材料科学与工程学院教授。国家杰出青年科学基金，国家“万人计划”青年拔尖人才，国家优秀青年科学基金获得者，英国皇家化学学会会士，入选2021-2022年度全球“高被引科学家”名单。目前主要研究方向为电化学冶金和电池电化学。在Nature Energy、Nature Reviews Materials、Nature Communications、Chemical Reviews、Advanced Materials 等国际知名刊物发表SCI收录论文200余篇。编著中英文专著/教材3部，担任国际电化学能源科学研究院终身理事(Board Committee Member of the International Academy of Electrochemical Energy Science)以及Carbon Energy，Frontiers in Chemistry副主编。获得国家授权发明专利20余项，并有多项专利获得转让。