化学学报 ›› 2024, Vol. 82 ›› Issue (5): 511-519.DOI: 10.6023/A24010028 上一篇 下一篇
研究论文
投稿日期:
2024-01-23
发布日期:
2024-04-08
基金资助:
Yunfeng Guo, Junxian Wang, Zexing Wang, Jiamao Li(), Chang Liu
Received:
2024-01-23
Published:
2024-04-08
Contact:
*E-mail: lijiamao@ahut.edu.cn
Supported by:
文章分享
采用常规固相法制备(1-x)NaNbO3-x(0.3Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BiFeO3) [NN-x(BNT-BF)] (x=0.05, 0.1, 0.15, 0.2)陶瓷, 并对其物相组成、微观形貌、介电与储能特性进行系统研究. 结果表明, 随着BNT-BF含量的增加, NN-x(BNT-BF)陶瓷逐渐由正交反铁电P相和R相共存(x<0.1)转变为单一反铁电R相(x≥0.1), 弛豫行为增强. BNT-BF掺杂显著改善了陶瓷的致密度, 且陶瓷的平均晶粒尺寸随着掺杂量增大先减小后增大. 同时取代NaNbO3的A位和B位可破坏NN原有的铁电长程有序结构, 优化陶瓷的储能性能. 在410 kV/cm的击穿场强(Eb)下, NN-0.2(BNT-BF)陶瓷的有效储能密度(Wrec)和储能效率(η)分别为2.54 J/cm3和89.24%, 且在20~120 ℃的温度范围内具有高的温度稳定性. 同时, 高功率密度(PD=49 MW/cm3)、大电流密度(CD=406 A/cm2)和超快放电速度(t0.9=35 ns)使得NN-0.2(BNT-BF)陶瓷在脉冲功率系统中具有潜在的应用前景.
郭云凤, 王俊贤, 王泽星, 李家茂, 刘畅. (1-x)NaNbO3-x(0.3Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BiFeO3)陶瓷的介电以及储能性能研究[J]. 化学学报, 2024, 82(5): 511-519.
Yunfeng Guo, Junxian Wang, Zexing Wang, Jiamao Li, Chang Liu. Dielectric and Energy Storage Properties of (1-x)NaNbO3-x(0.3Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BiFeO3) Ceramics[J]. Acta Chimica Sinica, 2024, 82(5): 511-519.
x | Phase | Lattice parameter | Vm/nm3 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
a/nm | b/nm | c/nm | α=β=γ/(°) | |||
0.05 | Pbma | 0.555(5) | 1.559(5) | 0.550(3) | 90 | 0.47689(0) |
Pnma | 0.782(8) | 0.781(2) | 2.346(9) | 90 | 1.43549(3) | |
0.1 | Pnma | 0.781(6) | 0.781(6) | 2.344(6) | 90 | 1.43259(8) |
0.15 | Pnma | 0.781(6) | 0.782(4) | 2.347(3) | 90 | 1.43573(9) |
0.2 | Pnma | 0.783(4) | 0.783(4) | 2.344(7) | 90 | 1.43921(0) |
x | Phase | Lattice parameter | Vm/nm3 | |||
---|---|---|---|---|---|---|
a/nm | b/nm | c/nm | α=β=γ/(°) | |||
0.05 | Pbma | 0.555(5) | 1.559(5) | 0.550(3) | 90 | 0.47689(0) |
Pnma | 0.782(8) | 0.781(2) | 2.346(9) | 90 | 1.43549(3) | |
0.1 | Pnma | 0.781(6) | 0.781(6) | 2.344(6) | 90 | 1.43259(8) |
0.15 | Pnma | 0.781(6) | 0.782(4) | 2.347(3) | 90 | 1.43573(9) |
0.2 | Pnma | 0.783(4) | 0.783(4) | 2.344(7) | 90 | 1.43921(0) |
Composition | CD/(A·cm−2) | PD/(MW·cm−3) | Wd/(J·cm−3) | E/(kV·mm−1) | t0.9/ns | Ref. | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0.78NaNbO3-0.22Bi(Mg2/3Ta1/3)O3 | 537.9 | 37.7 | 0.587 | 14 | 23 | [ | |
0.91NaNbO3-0.09Bi(Zn0.5Ti0.5)O3 | 356 | 20 | 0.48 | 11 | 250 | [ | |
0.85NaNbO3-0.15Bi(Mg2/3Nb1/3)NbO3 | 382 | 19 | — | 10 | — | [ | |
0.8(0.65Bi0.5Na0.5TiO3-0.35Bi0.2Sr0.7TiO3)-0.2BaSnO3 | 600.13 | 38.73 | 0.8 | 12 | 186.4 | [ | |
0.5Na0.5Bi0.5TiO3-0.5Sr0.7Bi0.2TiO3 | 350 | 245 | 0.95 | 35 | — | [ | |
0.6(Bi0.5K0.5)TiO3-0.3BaTiO3-0.1NaNbO3 | 103.2 | 2.4 | 2.07 | 22 | 130 | [ | |
0.94(Ba0.3Sr0.7)0.35(Bi0.5Na0.5)0.65TiO3-0.06NaNbO3 | 262 | 2.65 | 0.55 | 8 | 800 | [ | |
Pb0.94La0.04[(Zr0.52Sn0.48)0.84Ti0.16]O3 | 143.8 | 2.4 | 0.38 | 4 | — | [ | |
0.8NaNbO3-0.2(0.3Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BiFeO3) | 406 | 49 | 1.2 | 12 | 35 | This work |
Composition | CD/(A·cm−2) | PD/(MW·cm−3) | Wd/(J·cm−3) | E/(kV·mm−1) | t0.9/ns | Ref. | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
0.78NaNbO3-0.22Bi(Mg2/3Ta1/3)O3 | 537.9 | 37.7 | 0.587 | 14 | 23 | [ | |
0.91NaNbO3-0.09Bi(Zn0.5Ti0.5)O3 | 356 | 20 | 0.48 | 11 | 250 | [ | |
0.85NaNbO3-0.15Bi(Mg2/3Nb1/3)NbO3 | 382 | 19 | — | 10 | — | [ | |
0.8(0.65Bi0.5Na0.5TiO3-0.35Bi0.2Sr0.7TiO3)-0.2BaSnO3 | 600.13 | 38.73 | 0.8 | 12 | 186.4 | [ | |
0.5Na0.5Bi0.5TiO3-0.5Sr0.7Bi0.2TiO3 | 350 | 245 | 0.95 | 35 | — | [ | |
0.6(Bi0.5K0.5)TiO3-0.3BaTiO3-0.1NaNbO3 | 103.2 | 2.4 | 2.07 | 22 | 130 | [ | |
0.94(Ba0.3Sr0.7)0.35(Bi0.5Na0.5)0.65TiO3-0.06NaNbO3 | 262 | 2.65 | 0.55 | 8 | 800 | [ | |
Pb0.94La0.04[(Zr0.52Sn0.48)0.84Ti0.16]O3 | 143.8 | 2.4 | 0.38 | 4 | — | [ | |
0.8NaNbO3-0.2(0.3Bi0.5Na0.5TiO3-0.7BiFeO3) | 406 | 49 | 1.2 | 12 | 35 | This work |
[1] |
Jiang, Y.; Shen, X. C.; Guo, L. M.; Bi, K.; Wang, X. H.; Li, L. T. J. Mater. Eng. 2022, 50, 96 (in Chinese).
|
(姜莹, 申心畅, 郭丽敏, 毕科, 王晓慧, 李龙土, 材料工程, 2022, 50, 96.)
|
|
[2] |
Qu, N.; Du, H. L.; Hao, X. H. J. Mater. Chem. C 2019, 7, 7993.
|
[3] |
Zheng, H. Y.; Pu, Y. P.; Li, L. P.; Xue, J. R.; Gao, X. Q.; Hu, Z. W.; Ren, G. P. Materials Reports. 2019, 33, 20 (in Chinese).
|
(郑晗煜, 蒲永平, 李来平, 薛建嵘, 高选乔, 胡忠武, 任广鹏, 材料导报, 2019, 33, 20.)
|
|
[4] |
Zhou, M. X.; Liang, R. H.; Zhou, Z. Y.; Dong, X. L. J. Mater. Chem. A. 2018, 6, 17896.
|
[5] |
Li, S. Y.; Shi, P.; Zhu, X. P.; Yang, B.; Zhang, X. X.; Kang, R. R.; Liu, Q. D.; Gao, Y. F.; Sun, H. N.; Lou, X. J. J. Mater. Sci. 2021, 56, 11922.
|
[6] |
Zou, K. L.; Dan, Y.; Xu, H. J.; Zhang, Q. F.; Lu, Y. M.; Huang, H. T.; He, Y. B. Mater. Res. Bull. 2019, 113, 190.
|
[7] |
Tao, O. Y.; Pu, Y. P.; Ji, J. M.; Zhou, S. Y.; Li, R. Ceram. Int. 2021, 47, 20447.
|
[8] |
Chen, K. K.; Bai, H. R.; Yan, F.; He, X.; Liu, C. S.; Xie, S. F.; Shen, B.; Zhai, J. W. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 4236.
|
[9] |
Qi, H.; Xie, A. W.; Tian, A.; Zuo, R. Z. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903338.
|
[10] |
Ma, J. Q.; Lin, Y.; Yang, H. B.; Tian, J. H. J. Alloys Compd. 2021, 868, 159206.
|
[11] |
Chen, H. Y.; Shi, J. P.; Chen, X. L.; Sun, C. C.; Pang, F. H.; Dong, X. Y.; Zhang, H. L.; Zhou, H. F. J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 4789.
|
[12] |
Liu, Z. Y.; Lu, J. S.; Mao, Y. Q.; Ren, P. R.; Fan, H. Q. J. Eur. Ceram. Soc. 2018, 38, 4939.
|
[13] |
Shimizu, H.; Guo, H. Z.; Reyes-Lillo, S. E.; Mizuno, Y.; Rabe, K. M.; Randall, C. A. Dalton Trans. 2015, 44, 10763.
|
[14] |
Shi, R. K.; Pu, Y. P.; Wang, W.; Guo, X.; Li, J. W.; Yang, M. D.; Zhou, S. Y. J. Alloys Compd. 2020, 815, 152356.
|
[15] |
Dong, X. Y.; Li, X.; Chen, H. Y.; Dong, Q. P.; Wang, J. M.; Wang, X.; Pan, Y.; Chen, X. L.; Zhou, H. F. J. Adv. Ceram. 2022, 11, 729.
|
[16] |
Liu, N. T.; Liang, R. H.; Zhou, Z. Y.; Dong, X. L. J. Mater. Chem. C 2018, 6, 10211.
|
[17] |
Neaton, J. B.; Ederer, C.; Waghmare, U. V.; Spaldin, N. A.; Rabe, K. M. Phys. Rev. B 2005, 71, 014113.
|
[18] |
Ma, J. J.; Zhang, J.; Guo, J.; Li, X. J.; Guo, S.; Huan, Y.; Wang, J.; Zhang, S. T.; Wang, Y. J. Chem. Mater. 2022, 34, 7313.
|
[19] |
Ye, F.; Jiang, X. P.; Chen, Y. J.; Huang, X. K.; Zeng, R. F.; Chen, C.; Nie, X.; Cheng, H. J. Inorg. Mater. 2022, 37, 499 (in Chinese).
|
(叶芬, 江向平, 陈云婧, 黄枭坤, 曾仁芬, 陈超, 聂鑫, 成昊, 无机材料学报, 2022, 37, 499.)
doi: 10.15541/jim20210402 |
|
[20] |
Cui, S. Z.; Yang, H. P.; Sun, H. H.; Nie, K.; Wu, J. M. Acta Chim. Sinica 2016, 74, 995 (in Chinese).
|
(崔素珍, 杨汉培, 孙慧华, 聂坤, 吴俊明, 化学学报, 2016, 74, 995.)
doi: 10.6023/A16080404 |
|
[21] |
Jia, Y. G.; Chen, S. J.; Shao, X.; Cheng, J.; Lin, N.; Fang, D. L.; Mao, A. Q.; Li, C. H. Acta Chim. Sinica 2023, 81, 486 (in Chinese).
|
(贾洋刚, 陈诗洁, 邵霞, 程婕, 林娜, 方道来, 冒爱琴, 李灿华, 化学学报, 2023, 81, 486.)
doi: 10.6023/A23020046 |
|
[22] |
Gao, X. L.; Li, Y.; Chen, J. W.; Yuan, C.; Zeng, M.; Zhang, A. H.; Gao, X. S.; Lu, X. B.; Li, Q. L.; Liu, J. M. J. Eur. Ceram. Soc. 2019, 39, 2331.
|
[23] |
Tian, Z. M.; Zhang, Y. S.; Yuan, S. L.; Wu, M. S.; Wang, C. H.; Ma, Z. Z.; Huo, S. X.; Duan, H. N. Mat. Sci. Eng. B 2012, 177, 7410.
|
[24] |
Hieno, A.; Sakamoto, W.; Moriya, M.; Yogo, T. Jpn. J. Appl. Phys. 2011, 50, 09NB04.
|
[25] |
Jiang, J.; Meng, X. J.; Li, L.; Zhang, J.; Guo, S.; Wang, J.; Hao, X. H.; Zhu, H. G.; Zhang, S. T. Chem. Eng. J. 2021, 422, 130130.
|
[26] |
Ma, J. J.; Zhang, D. H.; Ying, F.; Li, X. J.; Li, L.; Guo, S.; Huan, Y.; Zhang, J.; Wang, J.; Zhang, S. T. ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 19704.
|
[27] |
Chen, J.; Qi, H.; Zuo, R. Z. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 32871.
|
[28] |
Wei. K.; Duan, J. H.; Zhou, X. F.; Li, G. S.; Zhang, D.; Li, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 48354.
|
[29] |
Dong, Q. P.; Nong, P.; Pan, Y.; Zeng, D. F.; Xu, M. Z.; Zhou, H. F.; Li, X.; Chen, X. L. J. Mater. Chem. C 2023, 11, 13120.
|
[30] |
Chen, H. Y.; Dong, X. Y.; Wang, X.; Pan, Y.; Wang, J. M.; Deng, L.; Chen, X. L.; Dong, Q. P.; Zhang, H. L.; Zhou, H. F. Ceramics International. 2022, 48, 7723.
|
[31] |
Pang, F. H.; Chen, X. L.; Shi, J. P.; Sun, C. C.; Chen, H. Y.; Dong, X. Y.; Zhou, H. F. ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 4863.
|
[32] |
Han, K.; Luo, N. N.; Chen, Z. P.; Ma, L.; Chen, X. Y.; Feng, Q.; Hu, C. Z.; Zhou, H. F.; Wei, Y. Z.; Toyohisa, F. J. Eur. Ceram. Soc. 2020, 40, 3562.
|
[33] |
Yang.. L. T.; Kong,. X.; Cheng,. Z. X.; Zhang,. S. J. J. Mater. Res. 2021, 36, 1214.
|
[34] |
Wang, Z. X.; Li, Z.; Zhang, J. Y.; Zhang, J.; Niu, Y. H. J. Chin. Ceram. Soc. 2023, 51, 1530 (in Chinese).
|
(王子瑄, 李卓, 张家勇, 张静, 牛艳辉, 硅酸盐学报, 2023, 51, 1530.)
|
|
[35] |
Meng, X. J.; Yang, Z. Y.; Yuan, Y.; Tang, B.; Zhang, S. R. Chem. Eng. J. 2023, 477, 147097.
|
[36] |
Liu, S.; Feng, W. W.; Li, J. H.; Tang, B.; Hu, C.; Zhong, Y.; He, B.; Luo, D. J. Chem. Eng. J. 2023, 470, 144086.
|
[37] |
Shannon, R. D. J. Appl. Phys. 1993, 73, 348.
|
[38] |
Dong, X. Y.; Li, X.; Chen, X. L.; Chen, H. Y.; Sun, C. C.; Shi, J. P.; Pang, F. H.; Zhou, H. F. J. Materiomics. 2021, 7, 629.
|
[39] |
Cao, W. P.; Li, W. L.; Dai, X. F.; Zhang, T. D.; Sheng, J.; Hou, Y. F.; Fei, W. D. J. Eur. Ceram. Soc. 2016, 36, 593.
|
[40] |
Shi, J. P.; Chen, X. L.; Li, X.; Sun, J.; Sun, C. C.; Pang, F. H.; Zhou, H. F. J. Mater. Chem. C 2020, 8, 3784.
|
[41] |
Ye, J. M.; Wang, G. S.; Zhou, M. X.; Liu, N. T.; Chen, X. F.; Li, S.; Cao, F.; Dong, X. L. J. Mater. Chem. C 2019, 7, 5639.
|
[42] |
Shi, P.; Zhu, X. P.; Lou, X. J.; Yang, B.; Guo, X. D.; He, L. Q.; Liu, Q. D.; Yang, S.; Zhang, X. X. Compos. B 2021, 215, 108815.
|
[43] |
Zhao, Y.; Zhu, L. P.; Meng, X. J.; Li, Y.; Hao, X. H. Mater. Sci. Eng. B 2022, 282, 115773.
|
[44] |
Chen, L.; Long, F. X.; Qi, H.; Liu, H.; Deng, S. Q.; Chen, J. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2110478.
|
[45] |
Li, D. X.; Shen, Z. Y.; Li, Z. P.; Luo, W. Q.; Song, F. S.; Wang, X. C.; Wang, Z. M.; Li, Y. M. J. Mater. Chem. C 2020, 8, 7650.
|
[46] |
Xu, R.; Tian, J. J.; Zhu, Q. S.; Zhao, T.; Feng, Y. J.; Wei, X. Y.; Xu, Z. J. Am. Ceram. Soc. 2017, 100, 3618.
|
[1] | 崔素珍, 杨汉培, 孙慧华, 聂坤, 吴俊明. Fe对NaNbO3的晶格掺杂和同步异质结改性及其光催化性能[J]. 化学学报, 2016, 74(12): 995-1002. |
[2] | 丁士文,柴佳,冯春燕,任亚男. 室温固态反应制备纳米Ba1-xSrxTiO3固溶体及其结构与介电性能研究[J]. 化学学报, 2006, 64(12): 1243-1247. |
[3] | 丁士文,翟永青,秦江雷,王静,李希茂,孟冬燕,郝凤春. 低温-低压水热合成Ba1-xSrxTi1-ySnyO3纳米材料及其 结构与性能研究[J]. 化学学报, 2001, 59(7): 1121-1124. |
[4] | 丁士文,翟永青,李希茂,王静,秦江雷. Ba~1~-~xCa~xSn~yTi~1~-~yO~3纳米材料的、合成结构与性能[J]. 化学学报, 2000, 58(9): 1139-1141. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||