CN109468684A - 一种氧化钇纳米束状晶须的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化钇纳米束状晶须的制备方法，属于材料制备领域。一种氧化钇纳米束状晶须的制备方法，所述方法采用电脉冲辅助液相沉淀法，以硝酸钇为母盐溶液，以碳酸氢铵为沉淀剂，在沉淀过程中对溶液施加电流大小0.5～15A，频率为0.1～10kHz的脉冲电流，可制得长径比大、结晶程度高的氧化钇纳米束状晶须。采用该方法所制备的氧化钇形貌可控，晶须形态及粒径分布均一，这是采用传统的制备方法很难达到的效果，且工艺简单、成本较低。

Description

一种氧化钇纳米束状晶须的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化钇纳米束状晶须的制备方法，属于材料制备领域。
背景技术
由于稀土具有优异的光、电、磁等特性，使其能与其他材料一起研制开发出性能各异、品种繁多的新型材料，并能大幅度地提高相关材料和制品的质量和性能，已成为改进产品结构、提高科技含量、促进行业技术进步的重要元素。稀土有着工业维生素、工业黄金之美誉，是一种重要的战略资源。我国是世界上稀土资源最为丰富的国家，探明的稀土储量高居世界第一，且轻、中、重稀土品类齐全，有着得天独厚的资源优势。然而我国在稀土高附加值的应用以及在高技术、新材料方面中的应用与世界先进水平相比仍有一定差距。
在众多稀土资源中，钇是地壳中含量较多的一种稀土元素。随着对稀土研究的日益广泛和深入，氧化钇作为一种非常重要的稀土氧化物资源，其在新材料特别是功能材料研究方面的重要作用日渐凸显。氧化钇具有优良的光、电、磁、力学及高温化学稳定性等性能，在磁性材料、光学玻璃、陶瓷材料、高亮度荧光粉、显像管涂料、薄膜电容器、特种耐火材料，以及高压水银灯、激光、储存元件等材料中有着较为广泛的应用。由于氧化钇粉体的形态、粒径及粒度分布对于氧化钇材料的结构和形态，进而实现其某种功能特性起着决定性作用，因此，对氧化钇粉体的制备方法提出了形态大小可控和防止团聚等较高的要求。因而，氧化钇粉体结构与形态的可控性已经成为实现氧化钇材料性能可控，从而制备相应高性能功能材料与器件的决定性因素。
制备粒度均匀、分散性好、形貌可控、微/纳米超细氧化钇粉体是目前研究的热点。在固相、液相、气相三大类方法中，液相法是制备氧化钇超细粉体的一种最为常用的方法，然而对制备出形貌可控、不团聚的氧化钇粉体仍存在一定难度。因而有必要探索新的制备方法，以制备出符合相关性能要求的氧化钇粉体。目前，诸多方法所制备出的氧化钇粉体多为球形、棒状颗粒，而制备氧化钇纳米束状晶须还鲜有报道。此外，在沉淀法制备粉体过程中，利用外加脉冲电流细化粉体晶粒尺寸大小、调控晶粒微观组织结构的研究尚未有相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化钇纳米束状晶须的制备方法，采用该方法所制备的氧化钇形貌可控，晶须形态及粒径分布均一，这是采用传统的制备方法很难达到的效果，且工艺简单、成本较低。
本发明制备氧化钇纳米束状晶须主要基于以下机理：
在制备氧化钇前驱体Y2(CO3)3·2H2O的反应体系中，由Y3+、NH4 +、NO3 -、CO3 2-，H2O分子以及由(Y3+OH-、H+CO3 2-、Y3+CO3 2-)离子对组成的团簇构成。这些团簇的外电子层在脉冲电流的作用下发生反复的畸变和松弛，团簇壳层畸变将导致团簇一侧的外电子层电位的降低，导致团簇与它周围离子对间的作用增强，降低了离子对与团簇间相结合的“位垒”，从而促进了团簇与其周围离子对间的结合，即本发明中Y3+得到更多与CO3 2-结合的机会。
在水菱钇型(Y2(CO3)3)结构中，存在着非等价的碳酸根离子，即单齿配位的碳酸根离子和双齿配位的碳酸根离子，其中C(1)O3 2-与钇离子配位构成(002)平面，每个碳酸根离子都同时与四个钇离子相连；而C(2)O3 2-则在晶面(002)的法线方向上，连接上下两相邻的平面，每个碳酸根离子与上下两个钇离子进行配位。当碳酸根离子的量少而钇离子过量时(即处于低配比沉淀区域)，则只有部分钇离子可以被沉淀析出。由于C(1)O3 2-能结合更多的钇离子，碳酸根离子将主要采取C(1)O3 2-的配位方式而促使碳酸钇沿a，b平面方向生长，其中更为主要的是沿b方向生长。因此首先表现出一维生长的特性，其次才是二维生长。
此外，脉冲电流产生的焦耳热对沉淀反应体系也提供了一定的能量，导致反应体系内能增加，即反应分子动能和势能增加。因而有助于克服成核势垒，并给予晶粒沿某一方向择优生长更好的能量要求。因此，在沉淀过程中对溶液施加脉冲电流，有助于制备出缺陷较少，结晶更完全，以及具有某种特定微观结构的氧化钇粉体，即本发明中所制得的纳米束状晶须。
一种氧化钇纳米束状晶须的制备方法，所述制备方法采用脉冲电流辅助液相沉淀法，所述方法包括下述步骤：将0.1～2mol·L-1的沉淀剂NH4HCO3溶液滴加至0.1～1.5mol·L-1的Y(NO3)3溶液中至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度为25～75℃，在滴定过程中同时进行搅拌；在沉淀过程中对溶液施加电流为0.5～10A，频率为0.1～10kHz的脉冲电流，得沉淀；将所得沉淀洗涤干燥后，经600～800℃煅烧30～120min。
优选地，所述方法为向浓度为0.3mol·L-1的Y(NO3)3溶液中滴加浓度为1.5mol·L-1的沉淀剂NH4HCO3溶液，至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流10A，频率为10KHz的脉冲电流，沉淀产物经洗涤干燥后，经700℃煅烧60min。
优选地，所述方法为向浓度为0.3mol·L-1的Y(NO3)3溶液中滴加浓度为1.5mol·L-1的沉淀剂NH4HCO3溶液，至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流0.5A，频率为1KHz的脉冲电流，沉淀产物经洗涤干燥后，经700℃煅烧60min。
优选地，所述方法为向浓度为0.5mol·L-1的Y(NO3)3溶液中滴加浓度为1.5mol·L-1的沉淀剂NH4HCO3溶液，至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流15A，频率为10KHz的脉冲电流，沉淀产物经洗涤干燥后，经700℃煅烧60min。
优选地，所述搅拌速率为1000～1200r/min。
优选地，所述洗涤干燥步骤为经过水或者醇多次洗涤后充分干燥。
对所制备的氧化钇粉体通过X射线衍射分析及扫描电镜检测表征，证实产物为立方晶系氧化钇，其形貌为结构单一的纳米束状晶须。
本发明的有益效果：采用本发明所述方法所制备的氧化钇形貌可控，晶须形态及粒径分布均一，这是采用传统的制备方法很难达到的效果，且工艺简单、成本较低。
附图说明
图1为施加脉冲电流为10A频率为10KHz脉冲电流时制备的氧化钇SEM照片；
图2为施加脉冲电流为0.5A频率为1KHz脉冲电流时制备的氧化钇SEM照片；
图3施加脉冲电流为15A频率为10KHz脉冲电流时制备的氧化钇SEM照片。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
本发明的制备方法采用脉冲电流辅助液相沉淀法，所述方法包括下述步骤：将沉淀剂NH4HCO3溶液滴加至Y(NO3)3溶液中至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程控制反应温度，在滴定过程中同时进行搅拌；在沉淀过程中对溶液施加脉冲电流，得沉淀；将所得沉淀洗涤干燥后，经煅烧后得氧化钇，其微观结构是纳米束状晶须。
实施例1
Y(NO3)3溶液浓度为0.3mol·L-1，沉淀剂NH4HCO3溶液浓度为1.5mol·L-1，向1000mL的Y(NO3)3溶液中滴加沉淀剂NH4HCO3溶液至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流为10A，频率为10KHz的脉冲电流。沉淀产物经干燥，700℃煅烧60min所得产物其SEM照片如图1所示。
由图1所示氧化钇粉体的微观结构可知，采用脉冲电流辅助液相沉淀法，在以上工艺条件下制备出了长径比大，结晶程度高，呈两端对称放散的氧化钇纳米束状晶须。
实施例2
Y(NO3)3溶液浓度为0.3mol·L-1，沉淀剂NH4HCO3溶液浓度为1.5mol·L-1，向1000mL的Y(NO3)3溶液中滴加沉淀剂NH4HCO3溶液至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流0.5A，频率为1KHz脉冲电流。沉淀产物经干燥，700℃煅烧60min所得产物其SEM照片如图2所示。
由图2所示氧化钇粉体的微观结构可知，施加电流0.5A，频率为1KHz的脉冲电流，在以上工艺条件下制备出了有一定团聚的氧化钇纳米晶须。
实施例3
Y(NO3)3溶液浓度为0.5mol·L-1，沉淀剂NH4HCO3溶液浓度为1.5mol·L-1，向1000mL的Y(NO3)3溶液中滴加沉淀剂NH4HCO3溶液至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流15A，频率为10KHz脉冲电流。沉淀产物经干燥，700℃煅烧60min所得产物为晶须状，其SEM照片如图3所示。
由图3所示氧化钇显微结构可见，施加电流15A，频率为10KHz的脉冲电流所制得的氧化钇呈长径比大、结晶程度高的晶须，但部分晶须粘连在一起，呈一维向二维方向生长的趋势。

Claims (6)

1.一种氧化钇纳米束状晶须的制备方法，其特征在于，所述制备方法采用脉冲电流辅助液相沉淀法，所述方法包括下述步骤：将0.1～2mol·L-1的沉淀剂NH4HCO3溶液滴加至0.2～1.5mol·L-1的Y(NO3)3溶液中至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度为25～75℃，在滴定过程中同时进行搅拌；在沉淀过程中对溶液施加电流为0.5～10A，频率为0.1～10kHz的脉冲电流，得沉淀；将所得沉淀洗涤干燥后，经600～800℃煅烧30～120min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法为向浓度为0.3mol·L-1的Y(NO3)3溶液中滴加浓度为1.5mol·L-1的沉淀剂NH4HCO3溶液，至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流10A，频率为10KHz的脉冲电流，沉淀产物经洗涤干燥后，经700℃煅烧60min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法为向浓度为0.3mol·L-1的Y(NO3)3溶液中滴加浓度为1.5mol·L-1的沉淀剂NH4HCO3溶液，至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流0.5A，频率为1KHz的脉冲电流，沉淀产物经洗涤干燥后，经700℃煅烧60min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法为向浓度为0.5mol·L-1的Y(NO3)3溶液中滴加浓度为1.5mol·L-1的沉淀剂NH4HCO3溶液，至溶液pH值为7～8后停止滴加，沉淀过程反应温度55℃，滴定过程向溶液中施加电流15A，频率为10KHz的脉冲电流，沉淀产物经洗涤干燥后，经700℃煅烧60min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述搅拌速率为1000～1200r/min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述洗涤干燥步骤为经过水或者醇多次洗涤后充分干燥。
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