TWI646053B - Preparation of high-purity nano-containing cerium oxide powder by microwave solvolysis - Google Patents

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Abstract

一種高純度含釔氧化物之製備方法，步驟包括：(1)提供一硝酸釔粉體，於一溶劑中攪拌，形成一前驅溶液；(2)於該前驅溶液中加入一鹼液，並持續攪拌；(3)將該溶液置入一微波反應系統進行微波反應；(4)將該微波反應後之溶液取出，乾燥後得到一前驅粉體；(5)將該前驅粉體置於高溫爐中進行煆燒熱處理，獲得一含釔氧化物。藉此，透過微波溶熱法，不須添加任何分散劑，即可快速及簡便製備出奈米級含釔氧化物粉體。

Description

以微波溶熱法製備高純度奈米含釔氧化物粉體
本發明係關於一種奈米含釔氧化物粉體之製備方法，特別是關於一種以微波溶熱法製備高純度奈米含釔氧化物粉體之製備方法。
目前國際間稀土光學陶瓷市場主要參與其中的公司包含有：中國爍光特晶科技有限公司(Bright Crystals Technology)、德國賽琅泰克高科技陶瓷公司(Ceram Tec-Etec)、美國Ceranova公司、美國通用電器(General Electric)、日本神島化學(Konoshima Chemical)、日本村田製作所(Murata Manufacturing)、日本信越化學工業股份有限公司、荷蘭飛利浦公司(Philips)及德國肖特集團(Schott AG)等。紅外線光罩相關廠商包括Raytheon、SURMET、MER、TA&T、ArmorLine Corporation。其涵蓋範圍從原料晶體之提供，奈米材料，以至於航空國防產業、機械化工、感知器與儀器儀表、醫療保健產業、消費品及其他能源相關之環境產業，另外，尚有美國Surmet公司積極投入於透明陶瓷之市場，於透明陶瓷市場佔有一席之地。
日本Covalent公司報導一種含有氧化釔或YAG 陶瓷塗層的耐電漿侵蝕的元件，含有這種內襯材料的腔體能夠明顯減少刻蝕过程中對晶片造成的污染，於2003年起，相繼在日本、中國和美國申请了發明專利。隨後，美國應用材料公司、日本的福吉米株式会社和TOTO株式会社等報導了抗電漿侵蝕陶瓷元件或陶瓷塗覆層。釔鋁石榴石陶瓷和氧化釔陶瓷同樣具有優異的抗電漿侵蝕能力，明顯優於石英和矽酸鹽玻璃。
在眾多稀土材料之中，釔鋁石榴石(YAG)具有優良的光學及機械的性質，被廣泛的應用於螢光體之主體晶格材料。YAG：Ce螢光粉體受藍光發光二極體照射可激發黃光，此黃光與藍光混合即可產生白光，此法製造之白光LED成本低且電源迴路構造簡單，為目前市面廣泛產生白光之技術。此外，摻釹釔鋁石榴石(Nd：YAG)亦被應用在固態雷射上。雷射是60年代初出現的一種新型光源，以其高亮度、高單色性、高方向性，引起普遍重視，並很快在工農業生產、科學技術、醫療、國防等各個領域得到廣泛應用。Nd：YAG中的釹離子，是一種優良的雷射介質，釔鋁石榴石陶瓷則作為雷射基材。可以強光照射激發得出1.06微米的近紅外線雷射，此晶體的機械性能良好，硬度高、導熱性好，可高功率連續或重複脈衝輸出且總效率可達20%，是現有雷射中最優秀的，為固體雷射裡最重要也是用途最廣的材料。
稀土氧化物雜質會影響透明陶瓷之燒結反應，並 會造成透明度下降，甚至造成樣品與設備汙染。例如氧化釔原料選擇時必須進行粉體品質檢驗步驟，因為氧化釔若摻有過量雜質，則會對透明陶瓷殘留孔洞影響光學散射，造成陶瓷透明度降低。故必須針對原料進行純化，以尋求較高純度(≧4N，4N定義是雜質含量總和必須小於100ppm)之氧化釔原料。
而在製備稀土氧化物方面，例如製備奈米氧化鋯粉體的方法包括，化學共沉澱法(CN1426964A)、水熱法(CN 1524794A)、溶膠凝膠法(baurell D.L.Am.ceram.soc,1993,76,705)、微乳液法(CN 1041335A)等。這些方法各有其特點，但也存在很多缺點。
化學沉澱法對於多組成分氧化物而言，特別是當各組成分之間的沉澱產生的濃度及沉澱速度存在差異時，溶液原始的原子水準的均勻性可能全部地失去，因此，限制了該方法的應用。溶膠-凝膠法是一種以金屬醇鹽或其它金屬鹽為原料，在膠質顆粒的共沉澱粉末發生凝聚時，直接進行顆粒的脫水、乾燥和燒結。該法的優點是粉體粒徑小、粒徑分佈窄、活性大；缺點是乾燥時收縮大、球形的凝膠顆粒之間燒結活性差、原料價格昂貴。
水熱法則將粉體的形成經歷了一個溶解再結晶過程，製得的氧化物顆粒呈球狀或短柱狀，粒徑很小且分佈均勻、團聚程度較少、純度高、燒結性能好，由該方法製備的粉體燒結體的強度高、韌性較強、有良好的離子導電性。但該方 法的設備要求高、參數較難控制。水熱合成法可以在較低溫度下獲得合成相的奈米顆粒，與一般的化學沉澱法相比，其優點是不需要作二次高溫熱處理。一種摻鋱氧化釔綠光發光粉末的製備方法(CN 101560389 B)。將不同莫耳比的硝酸釔和硝酸鋱溶於去離子水中，加入氫氧化鈉溶液，充分攪拌後，放入水熱釜中，在150~250℃溫度範圍內保溫8~24小時，最後，將製備的粉末樣品離心並乾燥後，在氮氣保護下，400~800℃熱處理2~4小時，獲得一種摻鋱氧化釔綠光發光粉末材料。
微波水熱法：近年來美國Pennsylvania大學採用微波水熱法製備了一些陶瓷及金屬粉體，微波水熱合成方法具有反應溫度更低，反應時間更短的優點。採用微波水熱合成方法具有制得的粉體粒徑分佈窄、分散性好，團聚少、晶粒完整結晶性好的優點，速率和能效也比傳統的水熱合成法高很多。印度Y.b.khollam等用微波水熱法製備氧化釔穩定氧化鋯粉體(Y.B.Khollam et al.,Materials chemisty and physics 71(2001)235-241，並對粉體高溫穩定性進行了測定。
而在製備緻密的釔鋁石榴石陶瓷或氧化釔陶瓷，必須審慎考慮粉末的燒結活性，而粉末的燒結活性大多與粉末的大小、形狀、粒徑分佈、化學組成、粉體凝聚程度以及純度有關，其中晶粒尺寸的降低以及粉體均勻性的提升，可有效提升粉末的燒結活性，然而，粉末尺寸的降低，卻又容易造成凝聚現象的產生，降低粉末的均勻性，因此燒結活性必須在尺 寸與均勻性之間取得一平衡點，使得最高的燒結活性會發生在一特定的晶粒尺寸，所以若能藉由技術上的改善粉體的均勻性，最佳燒結活性所對應的最佳晶粒尺寸便可隨之變小，且燒結活性也會提高。
目前於釔鋁石榴石粉體製備上，多採用傳統固相法，大多採用次微米氧化釔及氧化鋁粉末，調整其粒徑比，將氧化釔及氧化鋁粉末均勻混合，經過1000-1550℃合成特定粒徑且純相的釔鋁石榴石，但是其缺點為粒徑較高，難以均勻混合原料，而且添加分散劑易影響純度。該法雖然製程簡單而適用於量產，但難以均勻混合原料，因此在合成條件上往往需要高溫與較長時間，使操作成本相對提高，且合成之粉體有著粒徑不均、形狀不規則等均勻性不佳的問題，因而難以合成適用於燒結成高品質的雷射塊材之粉體。
因此，目前業界需要一種快速合成奈米含釔氧化物粉體的製造方法，透過溶熱製程方法產出的奈米級粉末，以結合微波製程處理，為提高成品純度，可不添加任何分散劑，以減少雜質污染，可製備出降低粒子團聚，如此一來，能同時兼具製程效率與奈米粉末品質，獲得分散良好之奈米級粉末。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種以微波溶熱法製備高純度奈米含釔氧化物粉體之製備方法，利用微波反應的技術，提供一種具有粒徑分佈窄、 反應快速、成本較低、製程較容易的製作方法，與傳統的製備方式不同，傳統方式所耗費的加熱時間長、其生成品質和其製程方法有很大的關係，導致奈米粉體的品質不易控制，除此之外，傳統的方法必須在化學沉澱的條件下，必須添加分散劑，才能製得奈米級粉體。
本發明提供一種高純奈米含釔氧化物粉體之製程，藉由該製程之反應均勻性，使用微波溶熱法，並可透過前驅粉體表面電位之調整，製備出高純度之釔鋁石榴石粉體或氧化釔粉體，使其可應用於光學陶瓷元件用途。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種以微波溶熱法製備高純度奈米含釔氧化物粉體，步驟包括：(1)提供一硝酸釔粉體，於一溶劑中攪拌，形成一前驅溶液；(2)於該前驅溶液中加入一鹼液，並持續攪拌；(3)將該溶液置入一微波反應系統進行微波反應；(4)將該微波反應後之溶液取出，乾燥後得到一前驅粉體；(5)將該前驅粉體置於高溫爐中進行煆燒熱處理，獲得一含釔氧化物。
上述中，該含釔氧化物可為氧化釔粉體(Y2O3)。，該步驟(1)之粉體係以化學計量比Y2O3添加至該溶劑中；該硝酸釔可於特定溫度條件下溶解於溶劑中形成前驅溶液。
上述中，步驟(1)可進一步提供一硝酸鋁及一硝酸釹粉體，與該硝酸釔粉體以化學計量比Y3Nd0.12Al5O12添加至該溶劑中，於步驟(5)製得的含釔氧化物可為釔鋁石榴石粉 體。
上述中，步驟(1)之溶劑係為水或醇類溶劑或其所組成之群組，反應溶解溫度為70℃至100℃；該前驅溶液之攪拌可使用均質攪拌機進行快速攪拌，攪拌時間可為10分鐘至60分鐘，攪拌速率可為1000rpm至8000rpm。
上述中，步驟(2)之鹼液係選自尿素、氨水以及碳酸氫胺所組成群組之一，用以調整該溶液之pH值為5至11之間，該鹼液離子與該前驅溶液之硝酸鹽莫耳比為1：3至1：6。
上述中，步驟(3)之溶液可轉移到鐵氟龍瓶中，置入微波反應系統中進行微波反應，該微波反應系統係為一密閉空間，該微波反應系統外具有一防爆裝置。該微波反應時間係為5分鐘至60分鐘，微波功率為50W至300W，反應溫度介於100℃至300℃，較佳為150℃至290℃。
上述中，步驟(4)將該微波反應後之溶液取出後，可進行過濾或離心，將該粉體多次水洗。該步驟(4)可進一步包括一研磨步驟，於該粉體乾燥前進行濕式研磨，或於該粉體乾燥後進行乾式研磨。
上述中，步驟(4)之乾燥方式係為真空濃縮乾燥或空氣乾燥，乾燥溫度可為50℃至150℃。
上述中，步驟(5)之熱處理溫度可為800℃至1600℃，熱處理時間可為1小時至10小時。
本發明是一種以微波溶熱法製備高純度奈米含 釔氧化物粉體，利用控制微波的反應時間及相關參數，可以不須添加任何分散劑，即可製備奈米級含釔氧化物粉體。本發明提供一種簡單製作含釔氧化物粉體的方法，具有粒徑均勻、反應快速、製程容易、高純度及低成本等特性，對產業利用具有相當經濟之改良。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
S101-S105‧‧‧步驟
第一圖係為本發明以微波溶熱法製備高純度奈米含釔氧化物粉體之製備方法流程圖；第二圖係為本發明實施例氧化釔粉體掃描式電子顯微鏡分析圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之優點及功效。
請參閱第一圖，為本發明一種以微波溶熱法製備高純度奈米含釔氧化物粉體之製備方法流程圖。如圖所示，以微波溶熱法製備高純度奈米含釔氧化物粉體，步驟包括：(1)提供一硝酸釔粉體，於一溶劑中攪拌，形成一前驅溶液S101； (2)於該前驅溶液中加入一鹼液，並持續攪拌S102；(3)將該溶液置入一微波反應系統進行微波反應S103；(4)將該微波反應後之溶液取出，乾燥後得到一前驅粉體S104；(5)將該前驅粉體置於高溫爐中進行煆燒熱處理，獲得一含釔氧化物S105。
上述中，該含釔氧化物係為釔鋁石榴石粉體(Y3Al5O12)或氧化釔粉體(Y2O3)。
實施例：
首先將硝酸釔(分析級)溶於純水中，然後加入尿素，調整溶液pH=8附近，將上述溶液在均質攪拌機，90℃下攪拌1小時。之後，將混合溶液轉移到鐵氟龍瓶中，然後將密封容器置於水熱反應系統中。然後置入微波反應器，調整300W微波功率進行加熱30分鐘，微波後取出反應容器，經過5次的離心水洗，移除雜質，然後量測Zeta potential量測電位≧10mV，接著將收集沉澱的粉末進行90℃乾燥。將乾燥後的前驅物粉末進行乾式研磨，最後，將研磨粉末置於空氣爐中進行煆燒，煆燒溫度為900℃，歷時3小時於空氣爐中進行，獲得氧化釔奈米粉體。請參閱第二圖，為本發明實施例氧化釔粉體掃描式電子顯微鏡分析圖，如圖所示，可觀察製備出之氧化釔奈米粉體之表面形態。
請參閱表一，為本發明實施例ICP(感應耦合電漿)元素分析結果。本發明實施例製備出之氧化釔奈米粉體可經過ICP分析後，以分析雜質元素成份。表中可觀察出所製備 的氧化釔奈米粉體雜質含量低，說明本發明實施例已製備出高純度的氧化釔奈米粉體。
本發明提供一種以微波溶熱法製備高純度奈米含釔氧化物粉體之製備方法，藉由該製程之反應均勻性，使用微波溶熱法，製備出高品質之釔鋁石榴石粉體，使其可應用於發光二極體及固態雷射用光學元件用途。除此之外，氧化釔或釔鋁石榴石陶瓷塗層的耐電漿侵蝕的元件，含有這種內襯材料的腔體能夠明顯減少刻蝕过程中對晶片造成的污染。本發明透過微波溶熱法，不須添加任何分散劑，即可快速及簡便製備出奈米級含釔氧化物粉體，使其在未來應用領域更加寬廣。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (9)

  1. 一種高純度含釔氧化物之製備方法，步驟包括：(1)提供一硝酸釔粉體，於一溶劑中攪拌，形成一前驅溶液；(2)於該前驅溶液中加入一鹼液，並持續攪拌；(3)將該溶液置入一微波反應系統進行微波反應；(4)將該微波反應後之溶液取出，乾燥後得到一前驅粉體；(5)將該前驅粉體置於高溫爐中進行煆燒熱處理，獲得一含釔氧化物，其中該製備方法無須添加一分散劑，其中該含釔氧化物係為氧化釔粉體，其中，該步驟(1)之粉體係以化學計量比Y2O3添加至該溶劑中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高純度含釔氧化物粉體之製備方法，其中，該步驟(1)之溶劑係為水或醇類溶劑或其所組成之群組，反應溶解溫度係為70℃至100℃。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之高純度含釔氧化物粉體之製備方法，其中，該步驟(1)之攪拌時間係為10分鐘至60分鐘，攪拌速率係為1000rpm至8000rpm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之高純度含釔氧化物粉體之製備方法，其中，該步驟(2)之鹼液係選自尿素、氨水以及碳酸氫胺所組成群組之一，用以調整該溶液之pH值為5至11之間。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之高純度含釔氧化物粉體之製備方法，其中，該步驟(2)之鹼液離子與該前驅溶液之硝酸鹽莫耳比係為1：3至1：6。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之高純度含釔氧化物粉體之製備方法，其中，該步驟(3)之微波反應時間係為5分鐘至60分鐘，微波功率係為50W至300W，反應溫度係介於100℃至300℃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之高純度含釔氧化物粉體之製備方法，其中，該步驟(4)係進一步包括一研磨步驟，於該粉體乾燥前進行濕式研磨，或於該粉體乾燥後進行乾式研磨。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之高純度含釔氧化物粉體之製備方法，其中，該步驟(4)之乾燥方式係為真空濃縮乾燥或空氣乾燥，乾燥溫度係為50℃至150℃。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之高純度含釔氧化物粉體之製備方法，其中，該步驟(5)之熱處理溫度係為800℃至1600℃，熱處理時間係為1小時至10小時。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111533158A (zh) * 2020-04-24 2020-08-14 广西科学院 一种氧化镝纳米粉体的微波煅烧制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101289218A (zh) * 2008-06-12 2008-10-22 中国铝业股份有限公司 一种钇铝石榴石yag纳米粉体的制备方法
CN101973569A (zh) * 2010-10-15 2011-02-16 河南理工大学 一种钇铝石榴石荧光粉的合成方法
CN102391871A (zh) * 2011-10-25 2012-03-28 湘潭大学 一种制备纳米钇铝石榴石荧光粉的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101289218A (zh) * 2008-06-12 2008-10-22 中国铝业股份有限公司 一种钇铝石榴石yag纳米粉体的制备方法
CN101973569A (zh) * 2010-10-15 2011-02-16 河南理工大学 一种钇铝石榴石荧光粉的合成方法
CN102391871A (zh) * 2011-10-25 2012-03-28 湘潭大学 一种制备纳米钇铝石榴石荧光粉的方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111533158A (zh) * 2020-04-24 2020-08-14 广西科学院 一种氧化镝纳米粉体的微波煅烧制备方法

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