[發明專利]一種制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝

在審

• 申請號: 201711020116.1
• 申請日: 2017-10-26
• 公開（公告）號: CN107572574A
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 蘭苑培;李軍旗;陳超軼;金會心;徐本軍;王林珠;劉利
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: C01F17/00
• 分類號: C01F17/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京聯創佳為專利事務所(普通合伙)11362
• 代理人: 張梅

技術領域

本發明涉及一種納米二氧化鈰顆粒的制備方法，特別是一種制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝。

背景技術

鈰元素是元素周期表中第一個被研究者發現在4f軌道上具有基態電子([Xe] 4f15d16s2)的元素，這使得二氧化鈰具備優異的氧化還原特性，因此二氧化鈰被廣泛用作于功能材料。另外，鈰元素在地殼中具有較大的單位含量(66.5 ppm)，這使得二氧化鈰具有較高的儲存量，為其廣泛應用提供了原料保障。

由于鈰元素具有特殊的電子層結構，導致CeO₂晶格中容易形成氧空位從而形成非化學計量的二氧化鈰(CeO_2-x，其中x為非化學計量數，0<x<0.5)，氧空位也是二氧化鈰最主要的晶格缺陷之一；另外由于二氧化鈰的強氧化特性，化學計量的二氧化鈰(CeO₂)也容易形成非化學計量的二氧化鈰。由于Ce⁴⁺-O^2-的電荷轉移，純化學計量的二氧化鈰呈現淡黃色，二氧化鈰可以形成具有一定還原度的非化學計量二氧化鈰并保持其晶體結構，而非化學計量二氧化鈰的顏色會變為藍色甚至黑色。氧空位對二氧化鈰的性能有重要的影響，氧空位能增強二氧化鈰的儲氧能力，氧空位及還原后形成的Ce³⁺在二氧化鈰的氧化還原中起著重要作用；并且氧空位也有利于二氧化鈰晶界的穩定。另外隨著非化學計量二氧化鈰的形成，二氧化鈰的某些性能也在發生變化，如導電性能，其中二氧化鈰的電子載流子濃度與非化學計量數成正比，即：[Ce’Ce] μ x。

在純的二氧化鈰體系中，氧空位濃度等于非化學計量數。

二氧化鈰形成氧空位的反應的平衡常數為K=PO₂^1/2。二氧化鈰300 oC時的平衡壓為10^?40 atm，在1023 oC溫度條件下，CeO_2-x只有在PO₂^1/2小于10^-20 atm時才能穩定。這表明在較低的溫度條件下二氧化鈰很難被還原，且除非通過高溫及還原性氣氛處理，非化學計量二氧化鈰的穩定性非常差。這些都限制了非化學計量二氧化鈰的應用，以及降低了氧空位對于二氧化鈰性能的促進作用。

目前制備二氧化鈰的工藝，主要有水熱水解法、共沉淀法以及燃燒火焰法等，但這些方法制備的納米二氧化鈰均氧空位含量低，穩定性差。因此，要制備具有較好穩定性和較高氧空位含量的非化學計量二氧化鈰，目前還未有相應的技術。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝。本發明制備的非化學計量納米二氧化鈰顆粒具有穩定性好，氧空位含量高的特點。

本發明的技術方案：一種制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝，包括如下步驟：

1）將三價鈰的無機鹽研磨至粒徑小于20μm，并進行脫結晶水處理，得A品；

2）使用熱等離子體發生器將激發氣體激發為熱等離子體焰，利用載氣將A品運載至熱等離子體反應器中，控制熱等離子體發生器的功率為10-30kW，讓A品在熱等離子體焰中進行完全反應，得B品；

3）將B品隨氣流運送至收集器進行收集，得非化學計量納米二氧化鈰顆粒。

前述的制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝，所述三價鈰的無機鹽為碳酸鈰、硝酸鈰或氯化鈰。

前述的制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝，所述脫結晶水處理是將研磨后的三價無機鈰鹽放入80-120℃的干燥箱中干燥脫水10-15小時。

前述的制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝，所述載氣為氬氣、氫氣或氬氣與氫氣的混合氣體，載氣的氣流速度為1-6L/min。

前述的制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝，所述的熱等離子體焰，采用的熱等離子體激發氣體為氬氣，氬氣的氣流速度為30-60L/min。

前述的制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝，所述非化學計量納米二氧化鈰顆粒為藍色粉末狀。

前述的制備穩定的非化學計量納米二氧化鈰顆粒的工藝，所述非化學計量納米二氧化鈰的粒徑小于100 nm，氧空位濃度為15-30%。

本發明的有益效果