CN111348673A - 一种提高氧化铈化学活性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高氧化铈化学活性的方法，包括以下步骤：第一步：将氧化铈研磨至46µm‑120µm，使其D50为80±5µm；第二步：将氧化铈与30%的H2O2、0.1mol/L的稀硫酸混合，每kg氧化铈，30%的H2O2的用量为50‑300ml，0.1mol/L的稀硫酸用量为50‑200ml，在室温下搅拌0.5h，搅拌速度为80‑150rpm，然后用去离子水和抽滤机将氧化铈冲洗若干次，使冲洗液呈中性为止，接着在60℃的烘干炉中烘干；第三步：将上述氧化铈在通有氩气+氢气或氩气+CO的旋转炉中煅烧，煅烧之前，必须将炉中空气排净。本方法能够提高氧化铈的活性。
Description
技术领域
本发明涉及提高氧化铈化学活性的方法，属于材料加工工艺领域。。
背景技术
氧化铈是一种重要的研磨材料和半导体催化剂，广泛应用于研磨硅片、光学玻璃等材料及光催化作用（污水处理）、汽车尾气催化净化等领域。氧化铈的抛光能力及光催化特性与其化学活性密切相关。氧空位是影响氧化铈化学活性的重要因素，与Ce3+伴随伴生。氧化铈的活性随着氧空位密度的增大而增大。氧化铈氧空位密度与氧化铈的非化学计量比CeO2-x、带隙、化学活性和磁性存在复杂的函数关系。铈原子的核外电子构型为4f15d16s2，一般Ce3+与Ce4+同时存在于氧化铈晶格内，具有特殊的变价特性和化学活性以及磁性。在氧化铈中，起激活其化学活性和磁性的是Ce3+，而不是Ce4+。有报道指出，在1200℃-660℃范围内煅烧氧化铈，其抛光效率与Ce3+含量的斯皮尔曼相关系数为0.83。Ce3+的浓度严重依赖于氧化铈晶体类型、晶格常数大小和氧空位密度等。当氧化铈作为磨粒研磨硅酸盐玻璃或硅片等材料时，氧化铈晶体表面Ce3+的Ce4f1电子极易转移到玻璃中O原子的2p4轨道，与玻璃凸起部分的Si-O形成氧桥基键，在机械摩擦力作用下而被抛去，使玻璃或硅片得到平整。氧空位密度越大，其带隙降低越明显。氧化铈作为光催化剂使用时，吸收紫外光照射，Ce3+价带中的电子激发跃迁到导带，同时在价带中产生空穴，空穴可以将吸附在CeO2-x表面的OH-和H2O氧化，生成具有强氧化性的羟基自由基·OH；光生电子也可以与溶液中O2反应，生成强活性氧自由基·O，与污水中的大多数有机物和无机物反应，生成无毒的CO2和H2O等无机小分子，可降解吸附在氧化铈表面的污染物. 这些自由基亦可以参与抛光面的氧化反应，在被抛光材料表面上形成一薄层具有原子级厚度的软化层，提高氧化铈的抛光能力和抛光效率。氧化铈的磁性由Ce3+的4f1轨道磁矩和自旋磁矩决定。为了提高氧化铈的化学活性和磁性，必须改善氧化铈的晶体结构，增加氧化铈中Ce3+的含量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高氧化铈化学活性的方法，通过对氧化铈进行处理，提高氧化铈的化学活性。
为实现本发明的目的，采用了下述的技术方案：一种提高氧化铈化学活性的方法，包括以下步骤：
第一步：将氧化铈研磨至46µm- 120µm，使其D50为80±5µm；
第二步：将氧化铈与30%的H2O2、0.1mol/L的稀硫酸混合，每kg氧化铈，30%的H2O2的用量为50-300ml，0.1mol/L的稀硫酸用量为50-200ml，在室温下搅拌0.5h，搅拌速度为80-150rpm，然后用去离子水和抽滤机将氧化铈冲洗若干次，使冲洗液呈中性为止，接着在60℃的烘干炉中烘干；
第三步：将上述氧化铈在通有氩气+氢气或氩气+CO的旋转炉中煅烧，煅烧之前，必须将炉中空气排净；
采用氩气+氢气时，氢气在氩气中的浓度为8-10%，氩气+氢气的流量0.5mL/min，旋转炉的旋转速度为以6rmp，煅烧温度至900℃，保温5h，然后在Ar环境下快速冷却至室温；
采用氩气+CO时，CO在氩气中的浓度为1-2%，氩气+CO的流量25mL/min，旋转炉的旋转速度为以6rmp，加热温度至660℃，保温2h，然后在Ar环境下快速冷却至室温。
进一步的；继续将第三步得到的氧化铈在氮气环境下煅烧至1500℃，保温4h，以增加氧化铈的硬度和氧空位含量，然后在N2环境下快速冷却至室温，研磨氧化铈至46µm -120µm，可以保持蓝色在8个月以上，在空气环境下不被氧化。
进一步的；在使用时，上述第二步会第三步到的氧化铈用纯净水配制成12-16 wt%的溶液，用六偏磷酸钠作为分散剂，六偏磷酸钠的添加量是氧化铈质量的1.5wt%，在34-36℃温度下加热，以60rmp速度搅拌，搅拌的同时添加0.5M的维生素C溶液，0.5M的维生素C溶液的体积是纯净水体积的0.2%，搅拌15-30min，然后再配制成要求浓度的研磨液使用。
本发明的积极有益技术效果在于：生产工艺简单，可以大规模生产应用，煅烧后的氧化铈性能稳定，硬度略有增加，化学活性和磁性可以增加20%以上。可以抛光莫氏硬度大于8的材料；提高了氧化铈的光催化性能。利用氧化铈抛光材料时，抛光机理既有机械作用，又有化学作用，合理控制被研磨材料的旋转速度，使机械作用和化学作用协调一致，研磨后的材料表面不会出现划痕，研磨效率高。提高了氧化铈在水介质中的分散性能。不对环境造成二次污染。抛光后的材料容易清洗。
具体实施方式
实施例一：
将30%的双氧水50ml倒入烧杯中，接着添加磨碎至46µm -120µm的商售氧化铈500g，接着添加0.1mol/L的稀硫酸50ml腐蚀，搅拌0.5h，转速90rpm，目的是提高氧化铈表面的粗糙度和比表面积，在这个过程中，有以下反应： 2CeO2+H2O2+3H2SO4→2Ce2(SO4)3+4H2O+O2↑，搅拌停止后，在抽滤机中用去离子水冲洗若干次，使其呈中性为止。然后用干燥箱干燥，温度设定为60℃。将上述样品装入刚玉坩锅中，在管式炉中煅烧至900℃，煅烧环境为含9%H2的氩气，2CeO2+H2→Ce2O3+H2O，保温5h，然后在氩气环境下快速冷却至室温。若氧化铈有粘结现象，再研磨至46µm -120µm。
研磨K9玻璃试验：抛光液浓度130g/L，分散剂六偏磷酸钠的添加量是氧化铈质量的1.5wt%，抛光速率150rpm，抛光压力0.2MPa，研磨1h。结果显示玻璃粗糙度由2.62nm降至1nm，表面光滑，易清洗，在光学显微镜下观察未见划痕。与未改性的商售氧化铈相比，抛光效率提高16%。
实施例二：
将实施案例一得到的46µm-120µm的氧化铈在氩气环境下继续煅烧（氧化铈）至1500℃，2CeO2→2CeO2-x+xO2↑。氧化铈晶体增大，硬度增加，研磨至46µm -120µm。
研磨硅片：抛光液浓度139g/L，分散剂六偏磷酸钠的添加量是氧化铈质量的1.3%，抛光速率146rpm，抛光压力0.3MPa，研磨46min。结果硅片粗糙度由3.26nm降至1.1nm，表面光滑，易清洗，在光学显微镜下观察未见划痕。与未改性的商售氧化铈相比，抛光效率提高26%。
实施例三：
将实施例二制备的氧化铈做研磨CVD金刚石片试验：开启120w的汞灯光源照射抛光液，在光催化辅助下：抛光液浓度130g/L，分散剂六偏磷酸钠的添加量是氧化铈质量的1.3%，抛光盘转速60rpm，研磨2h，抛光压力0.2MPa。结果金刚石片粗糙度由3.56nm降至2nm，表面光滑，易清洗，未见划痕。在相同研磨条件下，与未改性的商售氧化铈相比，抛光效率提高29%。
实施例四：
将实施例一制备的氧化铈做抛光石英玻璃试验：配制氧化铈质量百分比为10%的抛光液，分散剂为六偏磷酸钠，抛光速率150rpm，抛光压力0.2MPa，研磨0.5h。石英玻璃的抛光效率由改性前的276nm/min增加到改性后的361.6nm/min，具有更好的抛光效果。
实施例五：
将实施例二制备的氧化铈做污水处理实验。利用氧化铈作为光催化剂对染料废水进行降解，染料亚甲基蓝的初始浓度为6.2mg/L，氧化铈用量为0.9g/L，用300w的汞灯照射6 h，染料废水的降解率可达92.06%。与未改性的商售氧化铈相比，降解率提高23%。
实施例六：
测量实施例二制得的氧化铈的磁化率为1.86×10-7（SI），比未改性前磁化率提高36%。
实施例七：
研磨光学玻璃试验：抛光液浓度126g/L，分散剂六偏磷酸钠的添加量是氧化铈质量的1.3%，同时添加0.5M的维生素C溶液，2Ce+4+C6H8O6→2Ce3++ C6H6O6+2H+，其体积是抛光液体积的0.2%，抛光速率136rpm，抛光压力0.2MPa，研磨0.5h。结果显示玻璃粗糙度由2.28nm降至1.2nm，表面光滑，易清洗，在光学显微镜下观察未见划痕。与未改性的商售氧化铈相比，抛光效率提高23%。
Claims (3)
1.一种提高氧化铈化学活性的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：将氧化铈研磨至46µm- 120µm，使其D50为80±5µm；
第二步：将氧化铈与30%的H2O2、0.1mol/L的稀硫酸混合，每kg氧化铈，30%的H2O2的用量为50-300ml，0.1mol/L的稀硫酸用量为50-200ml，在室温下搅拌0.5h，搅拌速度为80-150rpm，然后用去离子水和抽滤机将氧化铈冲洗若干次，使冲洗液呈中性为止，接着在60℃的烘干炉中烘干；
第三步：将上述氧化铈在通有氩气+氢气或氩气+CO的旋转炉中煅烧，煅烧之前，必须将炉中空气排净；
采用氩气+氢气时，氢气在氩气中的浓度为8-10%，氩气+氢气的流量0.5mL/min，旋转炉的旋转速度为以6rmp，煅烧温度至900℃，保温5h，然后在Ar环境下快速冷却至室温；
采用氩气+CO时，CO在氩气中的浓度为1-2%，氩气+CO的流量25mL/min，旋转炉的旋转速度为以6rmp，加热温度至660℃，保温2h，然后在Ar环境下快速冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种提高氧化铈化学活性的方法，其特征在于：继续将第三步得到的氧化铈在氮气环境下煅烧至1500℃，保温4h，以增加氧化铈的硬度和氧空位含量，然后在N2环境下快速冷却至室温，研磨氧化铈至46µm -120µm，可以保持蓝色在8个月以上，在空气环境下不被氧化。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高氧化铈化学活性的方法，其特征在于：在使用时，将权利要求1或2得到的氧化铈用纯净水将配制成12-16 wt %的溶液，用六偏磷酸钠作为分散剂，六偏磷酸钠的添加量是氧化铈质量的1.5wt%，在34-36℃温度下加热，以60rmp速度搅拌，搅拌的同时添加0.5M的维生素C溶液，0.5M的维生素C溶液的体积是纯净水体积的0.2%，搅拌15-30min，然后再配制成要求浓度的研磨液使用。
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