题目：铁酸铋粉体的水热合成及其相变特征

近几年来，多铁性材料一直是人们研究的一个热点。其中，具有钙钛矿结构的铁酸铋成为大家研究的一种重要材料，因为，铁酸铋是室温以上同时具有铁电性和反铁磁性的唯一材料，其铁电居里温度为TC=830 °C，反铁磁尼尔温度为 TN=370 °C，并且两种铁性之间存在耦合作用，即通过磁场来调节电性能，或用电场来控制磁性能，从目前人们对器件小型化、集成化、多功能化的要求来看，铁酸铋有非常可观的应用前景。
我们知道，材料的性能与材料的组成成分、结构、尺寸和形貌等有非常重要的关系。那么，如何通过简单的实验工艺制备纯度高，分散性好，结构稳定，尺寸和形貌可控的高质量铁酸铋粉体是我们研究的重要内容。本文以铁酸铋为研究对象，用水热法制备铁酸铋粉体。采用不同反应原料，不同矿化剂，通过调节碱浓度实现了对产物尺寸和形貌的可控合成。并且通过改变反应温度、保温时间和升降温速率等水热合成条件，研究其对合成产物的作用和影响。另一方面，本文利用实验小组自己设计搭建的磁场体系，讨论了磁场对水热合成产物的相结构和微观形貌、尺寸的影响。具体研究结果如下：
以硝酸铋为铋源，硝酸铁或氯化铁为铁源，在氢氧化钠（NaOH）浓度为0.06 mol/L的低碱浓度下水热合成了铁酸铋粉体。实验前期经过对反应温度、保温时间和升温速率等水热合成条件的探索，最终确定合成条件。在较宽的温度范围合成了纯相铁酸铋粉体。由X射线衍射（XRD）测试和红外光谱分析可知，样品为钙钛矿结构铁酸铋。由扫描电镜（SEM）得知，以硝酸铁为铁源，产物呈片状；以氯化铁为铁源，产物为小晶粒团聚成的球状颗粒。随着温度的升高，产物形貌逐渐由不规则变得规则。其中以氯化铁为原料制得的样品具有较好的光催化效果，200 °C下合成铁酸铋样品的光催化效果最好。
以硝酸铋和氯化铁为反应原料，通过控制水热条件，在氢氧化钾（KOH）浓度为4、6和7 mol/L时，水热合成纯相铁酸铋粉体。由SEM可以看出，随着碱浓度的增加，样品由不规则团聚转变为分散均匀且表面光滑的立方铁酸铋颗粒。通过透射电镜（TEM）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和高温X射线衍射对立方颗粒的结构及性质进行了细致研究。高温XRD和差热分析表明，立方铁酸铋颗粒在370 °C以下为六角钙钛矿结构，空间群R3c；370 °C – 755 °C为菱面扭曲钙钛矿结构，空间群为R3m；755 °C – 817 °C为菱方相和立方相共存；从817 °C开始，完全转变为立方相铁酸铋；直到930 °C分解为液相。
以硝酸铋为铋源，硝酸铁或氯化铁为铁源，设定反应温度为200 °C，升温速率1 °C /min，随炉降温，KOH浓度为1 ~ 6 mol/L的磁场水热体系合成钙钛矿结构铁酸铋粉体。通过样品XRD衍射结果可得，与常规水热合成相比，磁场水热体系有利于铁酸铋相的合成，并且仅2 h就能合成铁酸铋纯相，缩短实验周期，节省了大量时间。由SEM结果可知，在磁场体系下，随着磁场强度的增大，晶粒尺寸逐渐减小。