CN102718258A - 一种Gd2Zr2O7纳米粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，涉及一种稀土锆酸盐材料制备方法。将浓硝酸稀释，稀土氧化物Gd₂O₃在稀硝酸中溶解，配成Gd(NO₃)₃溶液。按稀土离子Gd³⁺摩尔数：Zr⁴⁺离子总摩尔数=1：1的比例，将ZrOCl₂·8H₂O溶于去离子水，混合以上两溶液，并用氨水调节体系pH，不断搅拌所述溶液，然后将所得溶液放入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，得到纳米Gd₂Zr₂O₇粉体。本发明所提供的合成方法与目前使用的固相反应法、化学共沉淀法相比，其合成温度较低，减少了因煅烧引起的粉体的团聚。这种制备Gd₂Zr₂O₇粉体的方法简单易行，成本低廉，在核废料固化处理及高温涂层领域有广泛的应用前景。

Description

一种Gd2Zr2O7纳米粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及一种稀土锆酸盐材料制备方法，特别是涉及一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法。即能用于核废物固化处理和高温热障涂层的稀土锆酸盐材料制备方法。

背景技术

烧绿石型Gd₂Zr₂O₇具有独特的晶体结构和优良的物理化学性能，被广泛用于核技术和热障涂层等高科技领域。Gd₂Zr₂O₇具有高的辐照稳定性，特别是抗重离子的辐照能力，并且具有良好的化学稳定性。热障涂层材料要求具有低热导率、高熔点、高化学稳定性，与金属基体相匹配的热膨胀系数以及良好的抗烧结性能。目前广泛应用的热障涂层材料主要是氧化钇稳定氧化锆（缩写为YSZ）。该材料具有较低的热导率，但是YSZ在1200℃下长时间循环使用过程中会发生相变，伴随有体积变化，导致涂层的使用寿命降低，同时，在使用过程中YSZ存在严重烧结现象，使热导率增大，隔热效率降低。相比于YSZ，稀土Gd₂Zr₂O₇材料的热导率更低、高熔点、较高的热膨胀系数以及高的化学稳定性和高温无相变，而且更抗烧结，在热循环条件下晶粒不易长大。该稀土Gd₂Zr₂O₇陶瓷在高温热障涂层及核技术领域有广泛的应用前景。要提高陶瓷烧结体的性能，采用优良的陶瓷粉体非常重要。烧结用陶瓷粉体颗粒需具备粒度均匀、球形等特点，另外超细粉体可以提高烧结活性，降低烧结温度。 

制备纳米粉体的方法有很多种，主要包括固相反应法、共沉淀法、溶胶-凝胶以及水热法等。固相反应法制备Gd₂Zr₂O₇纳米粉体存在晶粒尺寸分布不均匀的情况。共沉淀法，由于各种离子完全沉淀的条件不同，很难同时沉淀，就很容易造成激活剂掺杂不均匀。 工业上一般采用固相法制备陶瓷粉体，方法虽然简单易行，但对于多组分材料体系，容易造成组分分布不均匀，而且存在合成温度较高等问题。固相法制备Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的温度一般需在1600℃以上。水热法，合成温度较低，晶粒尺寸较小、分散性及均匀性好。Gd₂Zr₂O₇粉体的制备文献报道固相反应法和共沉淀法较多，水热法制备Gd₂Zr₂O₇粉体材料有关文献报道较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，即一种水热法制备Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的方法。采用氨水为矿化剂，合成纳米Gd₂Zr₂O₇粉体。该方法工艺简单，可以在较低的温度下制备，所得Gd₂Zr₂O₇粉体粒径小，分布均匀，基本呈球状。

本发明采用的技术方案是：

一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）       用稀硝酸溶解氧化钆获得含有Gd³⁺的溶液，用去离子水溶解可溶性锆盐得到含Zr⁴⁺的溶液，所述两种溶液的浓度为0.01~0.1mol/L；

（2）       将步骤（1）所得的两种溶液混合，制备成混合溶液；

（3）       向步骤（2）所得的混合溶液中滴加矿化剂，滴加完成后，控制溶液pH值在8~14，继续搅拌0.5~2小时；

（4）       将步骤（3）所得的溶液放入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中加热；

（5）       将步骤（4）所得的沉淀物用去离子水和无水乙醇洗涤；

（6）将步骤（5）所得的沉淀物干燥。

所述的一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其所述的稀土锆酸盐材料包括纯度为99.9wt%的稀土氧化物粉末和纯度为99.9%的锆盐，其摩尔比为1:2。

所述的一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其步骤（4）所述的加热温度为180℃~230℃，保温时间为24h~72h；步骤（6）所述的干燥温度控制在80-120℃。

所述的一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其所述的氨水为矿化剂；体积比为1:2-8的水与乙醇的混合溶液为溶剂。

所述的一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其所述的粉体进一步煅烧的温度范围控制在500-1000℃之间。

本发明的有益效果：

本发明所采用的原料简单易得，操作简便，原料损失少，制备周期短。在制备过程中，通过控制原料的配比，调节初始溶液的浓度，调节pH值，不同温度，以及在不同反应时间下反应来控制产品的晶型、形貌以及尺寸。前驱体在较低温度(220℃)下保温48h，进一步煅烧得到了尺寸在20-90nm左右的Gd₂Zr₂O₇纳米粉体，形貌基本为球形，分散性较好。该Gd₂Zr₂O₇纳米粉体制备方法在实际应用中有广阔的前景。

附图说明

图1为样品的XRD衍射图；

图2为得到的Gd₂Zr₂O₇粉体在1000℃煅烧后的SEM图。

注：本发明的图1—图2为产物状态的分析示意图或照片，图中文字或影像不清晰并不影响对本发明技术方案的理解。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明进一步说明。

本发明原料氧化物Gd₂O₃纯度为99.9%，ZrOCl₂·8H₂O纯度为99.9%，氨水、浓硝酸等均为分析纯试剂，蒸馏水为二次水。以上试剂均没有经过纯化处理。

制备过程：将浓硝酸稀释，稀土氧化物Gd₂O₃在稀硝酸中溶解，配成浓度为0.01-0.1mol/L的Gd(NO₃)₃溶液。按稀土离子Gd³⁺摩尔数：Zr⁴⁺离子总摩尔数=1：1的比例，将ZrOCl₂·8H₂O溶于去离子水，混合以上两溶液，并用氨水调节体系pH到一定值（pH=8-14），不断搅拌所述溶液，然后将所得溶液放入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，在180-230℃加热24-72h，得到纳米Gd₂Zr₂O₇粉体。

实施例1：

在室温条件下，按照可制得Gd₂Zr₂O₇共0.5g称取原料，用去离子水将浓硝酸稀释，使稀硝酸溶解三氧化二钆，搅拌使其溶解，得到含有Gd³⁺的溶液，在用去离子水溶解可溶性的锆盐得到含有Zr⁴⁺的溶液，在磁力搅拌下不断将两种溶液混合，制成含有Gd³⁺ 和Zr⁴⁺的混合溶液，在持续搅拌的条件下，用氨水调节体系的pH值为12，得到类似溶胶的白色沉淀，继续搅拌1h，最后，混合物被转入聚四氟乙烯内衬高压反应釜中，填充度为80%，进行水热反应在220℃恒温保持48h，自然冷却至室温，水热产物经过滤，去离子水洗涤3次，去除Cl^-离子，再用无水乙醇洗涤3次，将过滤后的沉淀物放入干燥箱中于80℃干燥24h得到Gd₂Zr₂O₇粉体。采用日本理学（Rigaku）D/MAX-RB型X射线衍射仪及HITACHI S-3400N型扫描电镜对样品进行分析，结果表明，粉体结构为立方相的烧绿石结构氧化物如图1，形貌基本为球形，粒径约70nm，如图2所示。

实施例2：

其他条件如实施例1，改变体系的pH值为12.5。

实施例3：

其他条件如实施例1，改变体系的pH值为13。

Claims (5)

1.一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

用稀硝酸溶解氧化钆获得含有Gd³⁺的溶液，用去离子水溶解可溶性锆盐得到含Zr⁴⁺的溶液，所述两种溶液的浓度为0.01~0.1mol/L；

将步骤（1）所得的两种溶液混合，制备成混合溶液；

向步骤（2）所得的混合溶液中滴加矿化剂，滴加完成后，控制溶液pH值在8~14，继续搅拌0.5~2小时；

将步骤（3）所得的溶液放入聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中加热；

将步骤（4）所得的沉淀物用去离子水和无水乙醇洗涤；

（6）将步骤（5）所得的沉淀物干燥。

2.根据权利要求1所述的一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其特征在于，所述的稀土锆酸盐材料包括纯度为99.9wt%的稀土氧化物粉末和纯度为99.9%的锆盐，其摩尔比为1:2。

3.根据权利要求1所述的一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的加热温度为180℃~230℃，保温时间为24h~72h；步骤（6）所述的干燥温度控制在80-120℃。

4.根据权利要求1所述的一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其特征在于，所述的氨水为矿化剂；体积比为1:2-8的水与乙醇的混合溶液为溶剂。

5.根据权利要求1所述的一种Gd₂Zr₂O₇纳米粉体的制备方法，其特征在于，所述的粉体进一步煅烧的温度范围控制在500-1000℃之间。

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