CN101857260A - 水热法制备四方片状表面结构球状二氧化铈纳米材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种由水热法制备方片表面结构球状二氧化铈纳米材料的方法，属特殊形貌稀土氧化物催化剂材料制备工艺技术领域。本发明方法的要点是：将一定量的硝酸铈溶液与一定量的柠檬酸钠溶液放在水热反应釜中进行水热反应；在磁力搅拌条件下，且在120～200℃下反应4～24小时；硝酸铈与柠檬酸钠两者用量的摩尔比为2∶1～4∶1；反应完毕后将产物进行离心分离，并分别用去离子水和无水乙醇洗涤2～3次，最后在60℃下干燥8～10小时，最终得到四方片表面结构的球状纳米二氧化铈粉末。本发明产物具有相对大量的活性晶面，将其制成的催化剂催化氧化CO时，在300℃的转化率为90％，在340℃的转化率可达100％。本发明的二氧化铈具有稳定的球形结构，且催化性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种由水热法制备四方片状表面结构球状二氧化铈纳米材料的方法，属特殊形貌稀土氧化物催化剂材料制备工艺技术领域。
背景技术
CeO2是一种用途极广的稀土材料，可广泛应用于发光材料、玻璃抛光剂、催化剂、电子陶瓷、紫外吸收剂等。纳米化后的CeO2具有特殊的性质及应用，人们对纳米CeO2的形貌、粒径等要求也越来越高。因此，纳米CeO2的制备、功能特性和应用研究成为一个迫切需要解决的课题。目前，制备的纳米CeO2的形貌主要有纳米颗粒、纳米棒、纳米管和纳米纤维，以及一些特殊的形貌。其制备方法以水热合成法为主，通过添加不同的表面活性剂或者修饰剂，可以制备出不同形貌的纳米氧化铈。CeO2的形貌对其性能有很大的影响，例如球状的氧化铈由于有较大的储氧能力、较高的热稳定性以及良好的导电性等电化学性能，可应用于锂离子电池中；棒状或线状以及纤维状氧化铈的比表面积较大，孔径很小，可用于改善催化剂的活性和储氧能力；管状氧化铈具有高的催化性能以及氧化还原性能，可用作高效催化剂；特殊形貌的氧化铈会出现常规形貌所没有的光电效应。
近年来人们对于特殊形貌的纳米CeO2的研究也不少，形貌也各具特色。例如，中国专利200910062703.6以一种低温方法制备的分等级结构的二氧化铈纳米晶微球，该二氧化铈纳米微球是以铈化合物为前躯体，以苯甲醇为溶剂和表面活性剂在油浴加热条件下反应制得的。专利CN101168447A以铈盐为基本原料，醇作为有机溶剂，溶剂热反应一段时间后得到前躯体，高温煅烧得到六方棒组成的三维结构二氧化铈。专利CN101117233A介绍了制取高表面积介孔二氧化铈微球的制备方法，用硫酸铈铵盐溶于无水乙醇中，加入N，N-二甲基甲酰胺，水热后得到前躯体Ce(COOH)3，前躯体在高温下煅烧得到介孔二氧化铈微球粉体。但以上方法都是在有机溶剂中，而且都使用表面活性剂，制备过程也较繁琐，操作步骤较多，设备投资大，能耗多，不利于工业化生产和应用，而且以上专利中制得的二氧化铈都不具有高活性，只是具有较大的比表面积；所以开发制备工艺流程简单且无污染的二氧化铈纳米微球活性材料的意义重大。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备四方片状表面结构球状二氧化铈纳米材料的方法。
本发明一种由水热法制备方片表面结构球状二氧化铈纳米材料的方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
a.将一定量的Ce(NO3)3·6H2O在室温下溶解于一定量的去离子水中，搅拌之，形成均匀透明的溶液；
b.将一定量的柠檬酸钠(TSC)在室温下溶解于一定量的去离水水中，搅拌之，形成均匀透明的溶液；
c.在上述一定量的Ce(NO3)3·6H2O溶液中，用一定量的柠檬酸钠在磁力搅拌条件下逐滴滴入；硝酸铈和柠檬酸钠两者用量的摩尔比为2∶1～4∶1；待逐渐出现白色细小沉淀后，继续磁力搅拌0.5～1.0小时；
d.将上述得到的沉淀和溶液转移至水热釜中，旋紧釜盖，将其置于烘箱中，在120～200℃温度范围内加热反应4～24小时；反应完毕后将产物进行离心分离，并分别用去离子水和无水乙醇洗涤2～3
e.将上述所得的沉淀物在60℃下干燥8～10小时，最终得到淡黄色四方片表面结构的球状纳米二氧化铈粉末。
本发明方法的特点及优点如下所述：
(1)、本发明的二氧化铈材料的制备方法简便，因为采用一步水热法，有所用原料少，生产成本低廉，工艺设备简单，且无污染，溶剂为水，可以回收再利用等优点。
(2)、本发明的二氧化铈颗粒为表面方片状的球状形貌，不仅有较大的比表面积且表面有大量的活性晶面，因此在催化材料方面有很好的应用，为功能材料的研究应用开发奠定了良好基础。
(3)、本发明的二氧化铈片状纳米球颗粒所制成催化剂较普通的纳米二氧化铈粉末制成的催化剂，有较强的催化氧化CO的活性，因此在汽车尾气净化方面有很好的应用。
附图说明
图1为本发明实施例1产物用高倍透射电子显微镜(HRTEM)获得的形貌图及各晶面图。
其中：a为整个片状二氧化铈纳米球的HRTEM图；b-e分别为图a中球表面不同位置方片的HRTEM图，并已标出相应的晶面；f为a的选区电子衍射图。
图2为本发明在不同温度下产物的X射线粉末衍射(XRD)图。
其中：a-e分别为120℃、140℃、160℃、180℃、200℃温度下所得的XRD图。
图3为本发明实施例1水热法所得产物与常规沉淀法所得产物用于催化氧化CO的转换率比较曲线图。
图4为本发明为作对比用的非水热法常规直接沉淀法所得普通二氧化铈纳米粉末的晶面图。
图5为本发明在200℃温度下，不同水热时间下所得的产物的透射电子显微镜(TEM)形貌图。
其中：(a)-(f)分别为：1h、4h、8h、12h、18h和24h。
图6为本发明采用不同柠檬酸钠(TSC)浓度所得产物的透射电子显微镜(TEM)形貌图。
其中：(a)-(c)分别为0.25mmol、0.5mmol和1mmol。
具体实施方式
现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
具体步骤如下：
(1)、将2mmolCe(NO3)3·6H2O在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(2)、将0.5mmol柠檬酸钠(TSC)在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(3)、将步骤(2)得到的溶液边磁力搅拌边逐滴滴入步骤(1)得到溶液中，逐渐出现白色的细小沉淀，继续磁力搅拌0.5h。
(4)、将步骤(3)中得到的沉淀及溶液转移至50ml水热釜中，旋紧釜盖，置于烘箱中在200℃反应24小时，产物离心分离后，分别用去离子水和无水乙醇洗涤2～3次；
(5)、将步骤(4)所得的样品在60℃干燥10小时，即得到淡黄色四方片状组成的球状纳米二氧化铈粉末。
将本实施例所得产物，用高倍透射电子显微镜(HRTEM)对产物的形貌进行表征。从图1可见，所得产物是表面方片状的三维球状结构。方片面积约10nm×20nm，球直径100-230nm。表面的片除了有稳定晶面{111}，还有活性晶面有{220}，{200}等存在，从而增大了该产物的催化活性。该产物的整体TEM图见图5f。从图2e可见，XRD结果表明产物纯净为CeO2(与卡片JCPDS No.43-1002一致)。
催化氧化CO试验
将实施例中所得产品制成催化剂，催化氧化CO，在300℃左右转化率达到90％，340℃左右达到100％(其催化转化率见图3a)。由于表面活性晶面的存在，该产物的催化活性较普通未水热的粉末状的二氧化铈(催化转化率见图3b)有了较大的提高。
实施例2
具体步骤如下：
(1)、将2mmolCe(NO3)3·6H2O在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(2)、将0.5mmol柠檬酸钠(TSC)在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(3)、将步骤(2)得到的溶液边磁力搅拌边逐滴滴入步骤(1)得到溶液中，逐渐出现白色的细小沉淀，继续磁力搅拌0.5h。
(4)、将步骤(3)中得到的沉淀及溶液转移至50ml水热釜中，旋紧釜盖，置于烘箱中在160℃反应24小时，产物离心分离后，分别用去离子水和无水乙醇洗涤2～3次；
(5)、将步骤(4)所得的样品在60℃干燥10小时，即得到淡黄色四方片状组成的球状纳米二氧化铈粉末。
本实施例所得产物的XRD图见图2c，XRD结果表明产物纯净为CeO2(与卡片JCPDSNo.43-1002一致)。由图2可以看出反应温度在160℃-200℃为优选条件，因为低于160℃得到的产物从XRD结果可以看出峰不尖锐，晶型不好，得到的只是普通的沉淀粉末。
实施例3
具体步骤如下：
(1)、将2mmolCe(NO3)3·6H2O在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(2)、将0.5mmol柠檬酸钠(TSC)在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(3)、将步骤(2)得到的溶液边磁力搅拌边逐滴滴入步骤(1)得到溶液中，逐渐出现白色的细小沉淀，继续磁力搅拌0.5h。
(4)、将步骤(3)中得到的沉淀及溶液转移至50ml水热釜中，旋紧釜盖，置于烘箱中在200℃反应18小时，产物离心分离后，分别用去离子水和无水乙醇洗涤2～3次；
(5)、将步骤(4)所得的样品在60℃干燥10小时，即得到淡黄色四方片状组成的球状纳米二氧化铈粉末。
本实施例所得产物的TEM图见图5e，也是明显的片状球结构。
实施例4
具体步骤如下：
(1)、将2mmolCe(NO3)3·6H2O在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(2)、将0.5mmol柠檬酸钠(TSC)在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(3)、将步骤(2)得到的溶液边磁力搅拌边逐滴滴入步骤(1)得到溶液中，逐渐出现白色的细小沉淀，继续磁力搅拌0.5h。
(4)、将(3)中得到的沉淀及溶液转移至50ml水热釜中，旋紧釜盖，置于烘箱中在200℃反应4小时，产物离心分离后，分别用去离子水和无水乙醇洗涤2～3次；
(5)、将步骤(4)所得的样品在60℃干燥10小时，即得到淡黄色四方片状组成的球状纳米二氧化铈粉末。
本实施例所得产物的TEM图见图5b，也是明显的片状球结构。与实施例1的图5f比较，只是表面的片状结构没有那么明显，球体较小，个别的球还没有长完整。从图5可以看出水热时间在8-24h的为优选条件，因为这段时间内的产物片状球生长的比较完整，均匀。
实施例5
具体步骤如下：
(1)、将2mmolCe(NO3)3·6H2O在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(2)、将1mmol柠檬酸钠(TSC)在室温搅拌下溶解于20ml水中，形成均匀透明的溶液；
(3)、将步骤(2)得到的溶液边磁力搅拌边逐滴滴入步骤(1)得到溶液中，逐渐出现白色的细小沉淀，继续磁力搅拌0.5h。
(4)、将步骤(3)中得到的沉淀及溶液转移至50ml水热釜中，旋紧釜盖，置于烘箱中在200℃反应24小时，产物离心分离后，分别用去离子水和无水乙醇洗涤2～3次；
(5)、将步骤(4)所得的样品在60℃干燥10小时，即得到淡黄色四方片状组成的球状纳米二氧化铈粉末。
该实施例产物的TEM图见图6c，与实施例1中的产物(也即图6b)比较球体较松散，但是能明显的看到该纳米颗粒球是由一系列薄片组成的。由图6可以看出改变TSC的量得到的产物的形貌均为片状球结构。可以得出两者的縻尔比即Ce(NO3)3·6H2O∶TSC＝2∶1～4∶1是制备片状球结构活性二氧化铈纳米材料的最佳条件。
附图中的图4为作对比用的非水热法常规直接沉淀法所得普通二氧化铈纳米粉末的晶面图。与图1比较，可看出，普通形貌的二氧化铈表面暴露的只有极少量的活性晶面；几乎全是稳定的(111)晶面。
Claims (1)
1.一种由水热法制备方片表面结构球状二氧化铈纳米材料的方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤：
a.将一定量的Ce(NO3)3·6H2O在室温下溶解于一定量的去离子水中，搅拌之，形成均匀透明的溶液；
b.将一定量的柠檬酸钠(TSC)在室温下溶解于一定量的去离水水中，搅拌之，形成均匀透明的溶液；
c.在上述一定量的Ce(NO3)3·6H2O溶液中，用一定量的柠檬酸钠在磁力搅拌条件下逐滴滴入；硝酸铈和柠檬酸钠两者用量的摩尔比为2∶1～4∶1；待逐渐出现白色细小沉淀后，继续磁力搅拌0.5～1.0小时；
d.将上述得到的沉淀和溶液转移至水热釜中，旋紧釜盖，将其置于烘箱中，在120～200℃温度范围内加热反应4～24小时；反应完毕后将产物进行离心分离，并分别用去离子水和无水乙醇洗涤2～3
e.将上述所得的沉淀物在60℃下干燥8～10小时，最终得到淡黄色四方片表面结构的球状纳米二氧化铈粉末。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20101013 |