CN102730740A - 一种制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法 - Google Patents

一种制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，属于纳米材料制备技术领域。把明胶溶于热水中，配制1%～5%的明胶水溶液；把Ce(NO3)3•6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制0.01～0.2mol/L的硝酸亚铈溶液；按硝酸亚铈与双氧水物质的量之比为1:1～6，将双氧水溶液加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌直至形成絮状不溶物，滴入氨水，直至溶液pH为9～12，形成大量不溶物，过滤收集，然后烘干，焙烧，得到所述立方晶系氧化铈纳米晶。该方法工艺简单，成本低，可以通过调节制备条件来控制产物立方晶系氧化铈纳米晶的尺寸，得到的立方晶系氧化铈纳米晶纯度高，纳米粒子大小均匀，形貌相似。

Description

一种制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法。
背景技术
纳米材料因其独特的表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观隧道效应而表现出不同于常规材料的特殊性能，因而在各个领域得到广泛的应用。作为新材料中的一员——稀土纳米材料的研究也成为世界各国科学家研究的热点之一。纳米二氧化铈具有晶型单一，电学性能和光学性能良好等优点，因此被广泛应用于固体氧化物燃料电池电极、光催化剂、防腐涂层、气体传感器、燃料电池、离子薄膜、抛光材料等方面。
    制备氧化铈的方法很多，主要包括固相法和液相法。固相法制备氧化铈是把相关铈盐和其他材料按一定比例混合、研磨、再经过煅烧获得；液相法是选择合适的可溶性铈盐配制成溶液，使各元素呈离子态或分子态，再选择合适的沉淀剂或用蒸发、升华、水解等操作，使金属离子均匀沉淀或结晶出来，最后将沉淀或结晶的固体脱水或加热分解而得到所需的粉末，为控制得到的粒子大小和形貌，也可在液相法中使用合适的添加剂。制备纳米氧化铈的液相法主要包括：微乳液法、水热法、溶胶-凝胶法、沉淀法等，通过这些方法可以得到不同大小、形貌的氧化铈纳米粒子。但采用这些方法制备氧化铈纳米粒子也存在着一些不足，主要表现在：（1）固相法操作简单，但所用原材料不如液相法混合均匀，并且在高温下难以得到纳米粒子。（2）液相法工艺比较复杂，成本高，需要的时间较长，难以满足工业化要求。（3）液相法容易引入杂质，得到的产品纯度相对较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，该方法工艺简单，成本低，可以通过调节制备条件来控制产物立方晶系氧化铈纳米晶的尺寸，得到的立方晶系氧化铈纳米晶纯度高，纳米粒子大小均匀，形貌相似。
本发明提供一种制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，包括以下步骤：
（1）把明胶溶于70～100℃的热水中，配制质量分数为1%～5%的明胶水溶液；
（2）把Ce(NO3)3?6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制浓度为0.01～0.2mol/L的硝酸亚铈溶液；
（3）按硝酸亚铈与双氧水物质的量之比为1:1～6，将双氧水溶液加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌直至形成絮状不溶物，获得含有絮状不溶物的溶液；
（4）向步骤（3）所述含有絮状不溶物的溶液中滴入氨水，直至溶液pH为9～12，形成大量不溶物；
（5）过滤收集步骤（4）中所述的大量不溶物，然后在空气中、60～120℃条件下烘干，获得固体混合物；
（6）把步骤（5）中所述固体混合物转入电阻炉中，在300～700℃下焙烧30～180min，得到所述立方晶系氧化铈纳米晶。
所述立方晶系氧化铈纳米晶的平均直径为5～50nm。
步骤（6）中所述焙烧的时间为30～180min。
步骤（1）中所述明胶水溶液的质量浓度为1%。
步骤（1）中所述明胶水溶液的质量浓度为2%。
步骤（1）中所述明胶水溶液的质量浓度为5%。
有益效果：
（1）本发明制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法工艺简单，不需要多次过滤、洗涤，因为存在的过量氧化剂、沉淀剂和明胶添加剂都可在烘干和焙烧过程中完全清除，因此得到的样品纯度高；
（2）本发明制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法成本低，使用的氧化剂、沉淀剂和明胶添加剂价格便宜；
   （3）本发明制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法制得的纳米粒子大小均匀，形貌相似；
（4）本发明制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法制得的纳米粒子的大小可以通过明胶添加剂的含量加以调节，从而可控制立方晶系氧化铈纳米晶的尺寸。
附图说明：
图1是按照实施例1制备的氧化铈纳米晶透射电子显微镜（TEM）图；
图2是按照实施例2制备的氧化铈纳米晶透射电子显微镜（TEM）图；
图3是按照实施例1制备的氧化铈纳米晶的X射线衍射（XRD）图，对应JCPDS卡号：81-0792。
具体实施方式
实施例1
（1）称取0.5g明胶溶于49.5g的70℃的热水中，配制质量分数为1%的明胶水溶液；
（2）称取2.1711g Ce(NO3)3?6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制0.1mol/L的硝酸亚铈溶液；
（3）称取质量分数为30%的双氧水溶液1.6987g（含H2O2 0.5096g，合0.015mol），加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌，直至液体中形成絮状不溶物，获得含有絮状不溶物的溶液；所述硝酸亚铈与双氧水物质的量之比为1:3.
（4）向步骤（3）所述含有絮状不溶物的溶液中滴入质量浓度为28%的氨水，直至溶液pH为10，形成大量不溶物；
（5）过滤收集步骤（4）中所述的大量不溶物，在空气中、100℃条件下烘干，获得固体混合物；
（6）把步骤（5）中所述固体混合物转入电阻炉中，在350℃下焙烧120min，至明胶完全去除，得到0.8451g浅黄色纳米氧化铈粉末，产率为98.2%。
图1和图3分别为使用本方法制得的氧化铈粉末的TEM图和XRD图。从图1可看出制得的粒子粒径为20～30nm，粒子大小均匀，形貌相似。
从图3可看出制得的固体为立方晶系CeO2，对应JCPDS卡号为81-0792，无其它杂质峰，CeO2纯度高。
实施例2
（1）称取1.0g明胶溶于49.0g的70℃的热水中，配制质量分数为2%的明胶水溶液；
（2）称取2.1711g Ce(NO3)3?6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制0.1mol/L的硝酸亚铈溶液；
（3）称取质量分数为30%的双氧水溶液1.6987g（含H2O2 0.5096g，合0.015mol），加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌，直至液体中形成絮状不溶物，获得含有絮状不溶物的溶液；所述硝酸亚铈与双氧水物质的量之比为1:3.
（4）向步骤（3）所述含有絮状不溶物的溶液中滴入质量浓度为28%的氨水，直至溶液pH为10，形成大量不溶物；
（5）过滤收集步骤（4）中所述的大量不溶物，在空气中、100℃条件下烘干，获得固体混合物；
（6）把步骤（5）中所述固体混合物转入电阻炉中，在350℃下焙烧120min，至明胶完全去除，得到0.8486g浅黄色纳米氧化铈粉末，产率为98.6%。
图2为使用本方法制得的氧化铈粉末的TEM图。从图2可看出制得的粒子粒径为13～22nm，粒子大小均匀，形貌相似。通过X射线衍射（XRD）图可看出制得的固体为立方晶系CeO2，对应JCPDS卡号为81-0792，无其它杂质峰，CeO2纯度高。
实施例3
（1）称取2.5g明胶溶于47.5g的70℃的热水中，配制质量分数为5%的明胶水溶液；
（2）称取2.1711g Ce(NO3)3?6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制0.1mol/L的硝酸亚铈溶液；
（3）称取质量分数为30%的双氧水溶液1.6987g（含H2O2 0.5096g，合0.015mol），加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌，直至液体中形成絮状不溶物，获得含有絮状不溶物的溶液；所述硝酸亚铈与双氧水物质的量之比为1:3.
（4）向步骤（3）所述含有絮状不溶物的溶液中滴入质量浓度为28%的氨水，直至溶液pH为10，形成大量不溶物；
（5）过滤收集步骤（4）中所述的大量不溶物，在空气中、100℃条件下烘干，获得固体混合物；
（6）把步骤（5）中所述固体混合物转入电阻炉中，在350℃下焙烧120min，至明胶完全去除，得到0.8469g浅黄色纳米氧化铈粉末，产率为98.4%。
通过透射电子显微镜（TEM）图，发现制备的氧化铈粉末的粒子粒径为10～20nm，粒子大小均匀，形貌相似。通过X射线衍射（XRD）图可看出制得的固体为立方晶系CeO2，对应JCPDS卡号为81-0792，无其它杂质峰，CeO2纯度高。
实施例4
（1）称取1.0g明胶溶于49.0g的80℃的热水中，配制质量分数为1%的明胶水溶液；
（2）称取0.2171g Ce(NO3)3?6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制0.01mol/L的硝酸亚铈溶液；
（3）称取质量分数为30%的双氧水溶液0.3400g（含H2O2 0.1020g，合0.003mol），加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌，直至液体中形成絮状不溶物，获得含有絮状不溶物的溶液；所述硝酸亚铈与双氧水物质的量之比为1:6.
（4）向步骤（3）所述含有絮状不溶物的溶液中滴入质量浓度为28%的氨水，直至溶液pH为9，形成大量不溶物；
（5）过滤收集步骤（4）中所述的大量不溶物，在空气中、100℃条件下烘干，获得固体混合物；
（6）把步骤（5）中所述固体混合物转入电阻炉中，在300℃下焙烧180min，至明胶完全去除，得到0.0820g浅黄色纳米氧化铈粉末，产率为95.3%。
通过透射电子显微镜（TEM）图，发现制备的氧化铈粉末的粒子粒径为7～15nm，粒子大小均匀，形貌相似。通过X射线衍射（XRD）图可看出制得的固体为立方晶系CeO2，对应JCPDS卡号为81-0792，无其它杂质峰，CeO2纯度高。
实施例5
（1）称取2.5g明胶溶于47.5g的80℃的热水中，配制质量分数为5%的明胶水溶液；
（2）称取0.2171g Ce(NO3)3?6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制0.01mol/L的硝酸亚铈溶液；
（3）称取质量分数为30%的双氧水溶液0.3400g（含H2O2 0.1020g，合0.003mol），加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌，直至液体中形成絮状不溶物，获得含有絮状不溶物的溶液；所述硝酸亚铈与双氧水物质的量之比为1:6。
（4）向步骤（3）所述含有絮状不溶物的溶液中滴入质量浓度为28%的氨水，直至溶液pH为9，形成大量不溶物；
（5）过滤收集步骤（4）中所述的大量不溶物，在空气中、100℃条件下烘干，获得固体混合物；
（6）把步骤（5）中所述固体混合物转入电阻炉中，在700℃下焙烧30min，至明胶完全去除，得到0.0818g浅黄色纳米氧化铈粉末，产率为95.1%。 
通过透射电子显微镜（TEM）图，发现制备的氧化铈粉末的粒子粒径为5～15nm，粒子大小均匀，形貌相似。通过X射线衍射（XRD）图可看出制得的固体为立方晶系CeO2，对应JCPDS卡号为81-0792，无其它杂质峰，CeO2纯度高。
实施例6
（1）称取1.0g明胶溶于49.0g的80℃的热水中，配制质量分数为2%的明胶水溶液；
（2）称取4.3422g Ce(NO3)3?6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制0.2mol/L的硝酸亚铈溶液；
（3）称取质量分数为30%的双氧水溶液2.2673g（含H2O2 0.6800g，合0.02mol），加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌，直至液体中形成絮状不溶物，获得含有絮状不溶物的溶液；所述硝酸亚铈与双氧水的物质的量之比为1:2。
（4）向步骤（3）所述含有絮状不溶物的溶液中滴入质量浓度为28%的氨水，直至溶液pH为12，形成大量不溶物；
（5）过滤收集步骤（4）中所述的大量不溶物，在空气中、100℃条件下烘干，获得固体混合物；
（6）把步骤（5）中所述固体混合物转入电阻炉中，在500℃下焙烧60min，至明胶完全去除，得到1.6610g浅黄色纳米氧化铈粉末，产率为96.5%。 
通过透射电子显微镜（TEM）图，发现制备的氧化铈粉末的粒子粒径为25～35nm，粒子大小均匀，形貌相似。通过X射线衍射（XRD）图可看出制得的固体为立方晶系CeO2，对应JCPDS卡号为81-0792，无其它杂质峰，CeO2纯度高。

Claims (6)

1.一种制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）把明胶溶于70～100℃的热水中，配制质量分数为1%～5%的明胶水溶液；
（2）把Ce(NO3)3?6H2O溶于所述明胶水溶液中，配制浓度为0.01～0.2mol/L的硝酸亚铈溶液；
（3）按硝酸亚铈与双氧水物质的量之比为1:1～6，将双氧水溶液加入所述硝酸亚铈溶液中，搅拌直至形成絮状不溶物，获得含有絮状不溶物的溶液；
（4）向步骤（3）所述含有絮状不溶物的溶液中滴入氨水，直至溶液pH为9～12，形成大量不溶物；
（5）过滤收集步骤（4）中所述的大量不溶物，然后在空气中、60～120℃条件下烘干，获得固体混合物；
（6）把步骤（5）中所述固体混合物转入电阻炉中，在300～700℃下焙烧直至完全去除明胶，得到所述立方晶系氧化铈纳米晶。
2.根据权利要求1所述制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，其特征在于所述立方晶系氧化铈纳米晶的平均直径为5～50nm。
3.根据权利要求2所述制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，其特征在于步骤（6）中所述焙烧的时间为30～180min。
4.根据权利要求3所述制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，其特征在于：步骤（1）中所述明胶水溶液的质量浓度为1%。
5.根据权利要求3所述制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，其特征在于：步骤（1）中所述明胶水溶液的质量浓度为2%。
6.根据权利要求3所述制备立方晶系氧化铈纳米晶的方法，其特征在于：步骤（1）中所述明胶水溶液的质量浓度为5%。
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