CN102583495A

CN102583495A - 一种稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法

Info

Publication number: CN102583495A
Application number: CN2012100448663A
Authority: CN
Inventors: 任耀宇; 马景陶; 邓长生
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-23
Also published as: CN102583495B

Abstract

本发明公开了一种稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，包括以下步骤：a)将可溶性稀土金属盐与可溶性铈盐溶于水中，得到金属离子水溶液；b)将无机碱溶于水，得到碱水溶液；c)一边搅拌所述碱水溶液一边将所述金属离子水溶液迅速倒入其中，以形成悬浊液；d)将所述悬浊液转入高压釜内胆中并置于高压釜内，将所述高压釜置于95～120℃温度环境下反应12～30小时；以及e)将高压釜取出在室温下冷却，通过固液分离取出其中的沉淀，对所述沉淀进行热处理以得到稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料。根据本发明实施例的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，合成温度低、合成的纳米粉体结晶性好、不分相、尺寸均一，适合批量生产。

Description

一种稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法

技术领域

本发明属于材料科学领域，特别是涉及一种稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法。

背景技术

稀土离子掺杂的氧化铈材料广泛用于高温燃料电池/电解池、氧透过膜、催化剂载体和储氧材料等领域，把材料粉体制成纳米级，并控制纳米粉体的微观形貌(如一维纳米结构——纳米棒等)，将对提升材料的性能(如力学性能、电学性能、催化性能等)、挖掘材料的应用潜力起到重要作用。

另一方面，水热法是一种能够获得良好结晶性、均一尺寸纳米粉体的合成方法。该方法可在低温下一步合成纳米粉体，合成过程中不需要模板仍可达到控制纳米粉体微观形貌的目的。与其他合成纳米粉体的方法相比，该方法的工艺过程高效、经济，且容易放大。然而，目前还没有通过水热法制备稀土离子掺杂的氧化铈纳米材料的相关报道。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种具有良好结晶性、粒径均一的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，包括以下步骤：a)将可溶性稀土金属盐与可溶性铈盐溶于水中，得到金属离子水溶液；b)将无机碱溶于水，得到碱水溶液；c)一边搅拌所述碱水溶液一边将所述金属离子水溶液迅速倒入其中，以形成悬浊液；d)将所述悬浊液转入高压釜内胆中并置于高压釜内，将所述高压釜置于95～120℃温度环境下反应12～30小时；以及e)将高压釜取出在室温下冷却，通过固液分离取出其中的沉淀，对所述沉淀进行热处理以得到稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料。

根据本发明实施例的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，可用于合成多种的稀土离子掺杂氧化铈纳米粉体；合成温度低，工艺简单，在不需要模板的情况下仍可实现粉体微观形貌可控，合成的纳米粉体结晶性好、不分相、尺寸均一；整个工艺过程高效、经济，适合批量生产。

另外，根据本发明上述实施例的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，在所述金属离子水溶液中，稀土金属离子与铈离子的摩尔比为x∶1，其中0＜x＜0.5。

根据本发明的一个实施例，所述稀土金属离子包括La³⁺、Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Gd³⁺、Dy³⁺中的一种或多种，所述铈离子为三价。

根据本发明的一个实施例，所述无机碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

根据本发明的一个实施例，在所述步骤c)中，所述悬浊液中氢氧根离子浓度为0.001～10mol/L。

根据本发明的一些示例，所述稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料为纳米立方体，所述悬浊液中氢氧根离子浓度为0.001～0.1mol/L。

根据本发明的另一些示例，所述稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料为纳米棒，所述悬浊液中氢氧根离子浓度为1～10mol/L。

另外，根据本发明的一些实施例，在所述步骤c)中，当所述金属离子水溶液被完全倒入所述碱水溶液中后，继续搅拌5～60分钟。

根据本发明的一些实施例，在步骤d)中，所述悬浊液占所述高压釜内胆总容积的60～90％。

根据本发明的一些实施例，在步骤e)所述热处理在60～600℃空气氛围中进行。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法的流程图；

图2是根据本发明的实施例1～3所得纳米粉体的X射线衍射图；以及

图3是根据本发明的实施例1～3所得纳米粉体的透射电镜照片，其中：图3a为根据实施例1所得的纳米粉体的透射电镜照片，图3b为根据实施例2所得的纳米粉体的透射电镜照片，图3c为根据实施例3所得的纳米粉体的透射电镜照片。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。需要理解的是，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面，首先参考附图1描述根据本发明实施例的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法。

如图1所示，根据本发明实施例的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

a)将可溶性稀土金属盐与可溶性铈盐溶于水中，得到金属离子水溶液。

首先，将可溶性稀土金属盐与可溶性铈盐溶于水，可得到含有游离的稀土金属离子和铈离子的金属离子水溶液。

关于所述稀土金属离子没有特殊的要求，例如可以是包括La³⁺、Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Gd³⁺、Dy³⁺中的一种或多种的。另一方面，所述铈离子为三价。

优选地，在所述金属离子水溶液中，稀土金属离子与铈离子的摩尔比为x∶1，其中0＜x＜0.5。

关于所述金属离子水溶液中的总金属离子(稀土金属离子与铈离子的总和)浓度没有特殊的限制，例如可以为能完全溶于水的任何浓度。其中稀土金属盐可以为任何可溶于水的盐，铈盐为可溶性三价铈盐。

b)将无机碱溶于水，得到碱水溶液。

关于碱水溶液中提供氢氧根的化合物没有特殊的要求，可以是任何溶于水且能达到相应浓度要求的碱性化合物，例如，可以使用氢氧化钾、氢氧化钠、氨水等。

c)一边搅拌所述碱水溶液一边将所述金属离子水溶液迅速倒入其中，以形成悬浊液。

其中，为了控制最终制得的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的形态，所述悬浊液中氢氧根离子浓度优选为0.001～10mol/L。

具体地，在本发明的一些示例中，通过控制所述悬浊液中氢氧根离子浓度为0.001～0.1mol/L，可以使得最终制得的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料为纳米立方体。

在本发明的另一些示例中，通过控制所述悬浊液中氢氧根离子浓度为1～10mol/L，可以使得最终制得的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料为纳米棒。

另外，为了使得所得到的悬浊液更加均匀、稳定，当所述金属离子水溶液被完全倒入所述碱水溶液中后，继续搅拌5～60分钟。

d)将所述悬浊液转入高压釜内胆中并置于高压釜内，将所述高压釜置于95～120℃温度环境下反应12～30小时。

其中，从提高转化效率、稳定性等观点考虑，所述悬浊液占所述高压釜内胆总容积的60～90％。

e)将高压釜取出在室温下冷却，通过固液分离取出其中的沉淀，对所述沉淀进行热处理以得到稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料。

关于具体的热处理方法可以采用常规的方法。

另外，关于具体的热处理温度没有特殊的限制，从有利于控制纳米材料的形貌等观点出发，所述热处理在60～600℃空气氛围中进行。

下面结合附图2和3描述根据本发明的具体实施例。

实施例1：

首先，将0.781克六水合硝酸铈和0.087克六水合硝酸镨溶于5毫升去离子水。另一方面，将0.256克氢氧化钠溶于35毫升去离子水。

此后，将硝酸盐溶液快速倒入剧烈搅拌的氢氧化钠溶液中并继续搅拌30min。接着将其转入高压釜内胆，在100℃下水热反应24小时。

此后，进行固液分离并清洗经水热反应的沉淀。最后，在60℃烘箱中烘干得到Ce_0.9Pr_0.1O₂粉体。

如图2所示，X射线衍射结果显示粉体为立方相萤石结构。另外，如图3a所示，透射电镜表明单个粉体颗粒的微观形貌为边长8～16纳米的纳米立方体。

实施例2：

首先，将0.781克六水合硝酸铈和0.087克六水合硝酸镨溶于5毫升去离子水。另一方面，将13.040克氢氧化钠溶于35毫升去离子水。

此后，进行固液分离并清洗经水热反应的沉淀。最后，在60℃烘箱中烘干得到Ce_0.9Pr_0.1O₂的粉体。

如图2所示，X射线衍射结果显示粉体为立方相萤石结构。另外，如图3b所示，透射电镜表明单个粉体颗粒的微观形貌为长150～500纳米、横断面直径10～18纳米的纳米棒。

实施例3：

首先，将1.389克六水合硝酸铈和0.348克六水合硝酸镨溶于10毫升去离子水。另一方面，将26.080克氢氧化钠溶于70毫升去离子水。

此后，进行固液分离并清洗经水热反应的沉淀。最后，在60℃烘箱中烘干得到Ce_0.8Pr_0.2O₂粉体。

如图2所示，X射线衍射结果显示粉体为立方相萤石结构。另外，如图3c所示，透射电镜表明单个粉体颗粒的微观形貌为长100～400纳米、横断面直径8～18纳米的纳米棒。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将可溶性稀土金属盐与可溶性铈盐溶于水中，得到金属离子水溶液；

b)将无机碱溶于水，得到碱水溶液；

c)一边搅拌所述碱水溶液一边将所述金属离子水溶液迅速倒入其中，以形成悬浊液；

d)将所述悬浊液转入高压釜内胆中并置于高压釜内，将所述高压釜置于95～120℃温度环境下反应12～30小时；以及

2.根据权利要求1所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，在所述金属离子水溶液中，稀土金属离子与铈离子的摩尔比为x∶1，其中0＜x＜0.5。

3.根据权利要求2所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，所述稀土金属离子包括La³⁺、Pr³⁺、Nd³⁺、Sm³⁺、Eu³⁺、Gd³⁺、Dy³⁺中的一种或多种，所述铈离子为三价。

4.根据权利要求1所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，所述无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤c)中，所述悬浊液中氢氧根离子浓度为0.001～10mol/L。

6.根据权利要求5所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，其中，所述稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料为纳米立方体，所述悬浊液中氢氧根离子浓度为0.001～0.1mol/L。

7.根据权利要求5所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，其中，所述稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料为纳米棒，所述悬浊液中氢氧根离子浓度为1～10mol/L。

8.根据权利要求5所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤c)中，当所述金属离子水溶液被完全倒入所述碱水溶液中后，继续搅拌5～60分钟。

9.根据权利要求1所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤d)中，所述悬浊液占所述高压釜内胆总容积的60～90％。

10.根据权利要求1所述的稀土金属离子掺杂氧化铈纳米材料的制备方法，其特征在于，在步骤e)所述热处理在60～600℃空气氛围中进行。