固溶體在無機非金屬材料中的應用探究

全小翠

摘 要：隨著科技的深入發(fā)展，固溶體在無機非金屬材料中得到了廣泛的應用。本文首先針對固溶體及無機非金屬材料的概念進行了分析，然后結(jié)合當下的實際情況，研究了固溶體在催化劑中的應用、固溶體作為載體及其對晶格的影響，對這些方面進行了探討，以期為固溶體在無機非金屬材料中的實際應用和研究發(fā)展提供參考。

關鍵詞：固溶體；無機非金屬材料；應用

引言

近年來，新材料異軍突起，并被廣泛地應用于諸多領域，但在發(fā)展機遇下，仍會面臨難以突破的技術問題。固溶體便成為了改善新材料性能的萬能寶，特別是在無機非金屬材料的應用中，其理論有效的促進了無機非金屬材料的發(fā)展，為無機非金屬材料稱霸新材料行業(yè)打開了一道門。所以，相關人員需要針對固溶體在無機非金屬材料中的實際應用展開科學研究，這對于此二者的發(fā)展來說，都具有著極為重要的現(xiàn)實意義

1固溶體及無機非金屬材料的概念

1.1固溶體的概念

要研究固溶體以及無機非金屬，就必須要對其概念進行了解和把握。固溶體是指礦物離子在結(jié)晶構(gòu)造位置上發(fā)生置換后不改變整個晶體結(jié)構(gòu)和對稱性，通俗的講固溶體是一種溶質(zhì)原子溶解在溶劑晶格中卻仍然保持溶劑類型的合金相，其中微量溶質(zhì)是引起固溶體理化反應的重要因素。固溶體按根據(jù)溶質(zhì)原子在晶格的位置的不同可以分為兩類，即間隙固溶體和置換固溶體。按固溶度來分，可分為無線固溶體和有限固溶體兩大類；若按溶質(zhì)原子與溶劑識的相對分布來劃分，又可分為有序固溶體和無序固溶體。固溶體的性能包括固溶強化、固溶電性能和固溶熱處理。

1.2無機非金屬材料的概念

無機非金屬材料誕生于無機化學和有機化學工業(yè)發(fā)展的契機中，是由晶體或非晶體組成，具有導電、導熱及機械性能差的非金屬性質(zhì)的材料。有的無機非金屬材料甚至可以替代金屬材料，是化學工業(yè)中不可或缺的材質(zhì)，是當代完整材料體系中一個重要組成部分。因其優(yōu)異的性能，在近代工業(yè)發(fā)展中作用越來越大，用途也隨之增加，并形成迅猛發(fā)展之勢。

2固溶體在無機非金屬材料中的應用

將固溶體應用于無機非金屬材料中，可通過控制溫度、壓力和摻雜質(zhì)等方式在無機非金屬材料制備的形成點缺陷而制得，此法改變了材料的性質(zhì)，并賦予了材料新的功能。當前制備固溶體主要方法有：氧化物高能球磨法、表面活性劑模板法、溶液燃燒法、共沉淀法和絡合法等。其具體的應用領域主要包括三種：

2.1將固溶體作為催化劑

例如，CeO2- ZrO2固溶體。CeO2是種鈰氧化物，是良好的催化劑，被廣泛的置于主要的六大類應用中，第一是汽車尾氣催化劑，第二是燃料電池固體電極，第三是生物陶瓷材料，第四是水汽變換反應，第五是氧氣傳感器，第六是甲烷氧化偶聯(lián)反應等。且在甲烷燃燒中，其催化性和穩(wěn)定性的是否良好都取決于CeO2- ZrO2固溶體。CeO2- ZrO2固溶體中的Ce是發(fā)生氧化還原的主要因素，氧化CH4都是Ce4+向Ce3+的轉(zhuǎn)變中產(chǎn)生的氧來實現(xiàn)的，二者在轉(zhuǎn)變進程中還能相互產(chǎn)生氧。可是使氧濃度的陡然轉(zhuǎn)變起到一定的和緩作用，其中CeO2的多少直接關系著催化性能。若將Zr4+置于CeO2晶格里，不僅能使CeO2的性能變得穩(wěn)定，還能避免燒結(jié)中出現(xiàn)晶粒過大的情況。鈰鋯固溶體參比氧傳感器則是在氧傳感器中充分運用CeO2- ZrO2固溶體的高儲氧性能作為固體氧來代替空氣中的氧研發(fā)出的氧傳感器，從而解決了傳統(tǒng)型氧傳感器的高造價、難工序等困難。此外，還有SnO2-TiO2固溶體、Cu-Mn-Ce-O 固溶體以及在TiO2中加入SnO2所形成的固溶體等，都可以用來作為催化劑使用。

根據(jù)相關文獻可知，在二十一世紀初時，一些專家學者發(fā)現(xiàn)了Ga-N-ZnO固溶體屬于一種新型的催化劑，其不但具備了可見光響應的特點，同時還能夠繼續(xù)水解水產(chǎn)氫制氧，進而打開了一條新的道路，可以促進光解水制氫材料的發(fā)展。

2.2對晶格的影響

Al2TiO5是一種集低熱膨脹系數(shù)和高熔點為一體，有隔熱性好、耐高溫和高抗熱震等特點的新型材料。若將Al2TiO5加熱其800℃- 1300 ℃，它便會分解成氧化物。也正是因為這一缺點，使它的應用范圍受限。但如若在未穩(wěn)定化的Al2TiO5中引入Fe2O、MgO，調(diào)整原料的配比并控制煅燒條件，F(xiàn)e2O和MgO便能同Al2TiO5反應能形成晶格穩(wěn)定的固溶體，從而能抑制Al2TiO5的熱分解。而鋯鈦酸鉛壓電陶瓷具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，是PbZrO3和PbTiO3的固溶體，PbZrO3和PbTiO3空間點陣形式相似。二者中的Zr4+、Ti4+屬同一副族，便能常溫下生成晶格穩(wěn)定、壓電性能等都顯著提高的Pb（ ZrxTi1 - x） O3，x = 0.1 - 0.3固溶體。

2.3作為載體使用

固溶體因其良好的儲氧能力和熱穩(wěn)定性，成為了研究焦點，被廣泛的運用于催化劑領域。在實際應用中，它是一種載體，可以被運用于汽車尾氣中，成為汽車尾氣的催化劑。如，在CeO2中摻加Zr4+，形成Ceria-Zirconia固溶體，可以改變CeO2的特性。且原料的廉價性和水溶性無機鹽的特性，使CeO2和ZrO2分布均勻，形成固溶體，并能作為F-T反應催化劑載體。當固溶體運用在對汽車尾氣進行催化時，只是單純地作為汽車尾氣凈化的助劑或者是凈化催化劑載體，而不會被當作活性組分來使用。其具備了良好的儲氧功能，并且熱穩(wěn)定性十分優(yōu)秀，所以成為了當前催化劑領域中的重點研究對象。

結(jié)語

通過對固溶體理論的充分研究，對材料特性的深入探索，使得的固溶體在改善材料性能方面做出了巨大的貢獻，并在無機非金屬材料應用中獲得了廣闊的發(fā)展空間，滿足了社會經(jīng)濟形式大發(fā)展下社會對新型材料的需求。因而，加強對固溶體的探索工作，開發(fā)新的應用領域，對固溶體在未來社會發(fā)展中發(fā)揮舉足輕重的作用有著重要意義。

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