一種納米級高純度氧化鈰粉的生產方法與流程

本發明涉及有色金屬粉體技術領域，尤其涉及一種納米級高純度氧化鈰粉的生產方法。

背景技術：

氧化鈰(ceo2)，由于ce具有獨特的4f層電子結構，氧化鈰屬于立方晶系，是面心立方結構，具有螢石結構。所屬點群為fm3m點群。從熱動力學方面講，其(111)面是最穩定的。ceo2晶胞中的ce⁴⁺按面心立方陣排列，o2-占據所有的四面體位置，每個ce4+被8個o^2-包圍，而每個o^2-則與4個ce⁴⁺配位，如下圖所示。氧化鈰經高溫(t>950℃)還原后，ceo2轉化為具有氧空位、非化學計量比的ceo2-x氧化物(0<x<0.5)^[6]，而在低溫下(t<450℃)ceo2可形成一系列組成各異的化合物。值得注意的是，即使從晶格上失去相當數量的氧，形成大量氧空位之后，ceo2-x仍然能保持螢石型晶體結構，這種亞穩氧化物暴露于氧化環境時又易氧化為ceo2^[7]，因而ceo2具有優越的儲存和釋放氧功能及氧化還原反應能力。

氧化鈰為淡黃色粉末，熔點為2600℃，在常溫下比較穩定，溶于硫酸；在硝酸中加過氧化氫也能溶解；溶于鹽酸時逸出氯；不溶于稀酸(稀硫酸除外)和水。ceo2的熱穩定性較高，800℃時可保持晶型不變，在980℃時失去一部分氧原子。

用途：ceo2作為稀土家族中一種重要的化合物廣泛用于汽車尾氣凈化催化材料^[1]、高溫氧敏材料^[2]、固體氧化物燃料電池(sofc)電極材料^[3][4]、化學機械拋光(cmp)研磨材料^[5]等行業，對人類改善工作條件、提高生活質量、保障身體健康,節約能源、加強環境保護具有重要的現實意義,并具有顯著的經濟效益和社會效益。

目前國內外對納米ceo2的制備尚處于實驗室的研究階段,制備納米ceo2方法歸納起來主要有:固相法、液相法和氣相法^[9]。

固相法一般是把金屬氧化物或其鹽按照配方充分混合,研磨后進行煅燒,最終得到金屬及金屬氧化物的超細粒子。一般認為固相反應過程經歷四個階段:反應物擴散-化學反應-產物成核-晶體生長。當成核速度大于生長速度時,有利于生成納米微粒；如果生長速度大于成核速度,則形成塊狀晶體。固相法所用設備簡單、操作方便，但所得粉體往往純度不夠，粒度分布也較大，適用于要求比較低的場合。

氣相法分為物理氣相法與化學氣相法。氣相法是指兩種或兩種以上的單質或化合物在氣相中發生化學反應生成納米級新化合物的方法。一般而言，氣相法所得粉體的純度較高、團聚較少、燒結性能也較好，其缺點是設備昂貴、產量較低、不易普及。

液相法主要是在液相體系中通過控制液相化學反應的條件，如反應物濃度、反應溫度與時間、攪拌速度、水解速度、共沉淀等形成前驅體的方法。主要有沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法、電化學法等。液相法介于氣相法和固相法之間，與氣相法相比，液相法具有設備簡單、無需高真空等苛刻物理條件、易放大等優點，同時又比固相法制備的粉體純凈、團聚少，很容易實現工業化生產，是目前制備納米粒子最常用的方法。液相法主要有沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法、電化學法等。

本方法生產氧化鈰粉體主要是利用噴霧熱解技術，方法是將配置的硝酸鈰溶液作為前驅體，在高壓泵的輸送下送入離心式機械噴嘴，形成射流進入高溫氣氛中進行噴霧熱解生產氧化鈰粉。

近年來雖然納米ceo2的制備得到了很大的發展,但在納米ceo2制備的多種方法中,所存在著一些普遍的問題,如:顆粒團聚嚴重,粒徑分布不均勻,單分散性差,性能不穩定等,這些問題的存在影響了納米ceo2功能材料使用性能。因此如何做到顆粒尺寸和形狀可控,得到粒度分布均勻,單分散性好的納米ceo2,成為當前納米ceo2制備研究中需重點探討的難點。此外綜合目前國內外的報道來看,大多數基礎研究仍只停留在改進合成工藝的層面上,且表征往往局限于最終的粉體,對納米ceo2的成核與生長這一中間過程還缺少動態、系統的觀測與分析。

技術實現要素：

現有的噴霧熱解技術由于采用離心式機械射流噴嘴，對金屬溶液起不到粉碎、空化效應，所以噴霧熱解產生的氧化鈰的細度在100納米以上，純度低，滿足不了高端制造業的需求。本發明提供了一種納米級高純度氧化鈰粉的生產方法。

本發明采用如下技術方案：

本發明的納米級高純度氧化鈰粉的生產方法的具體步驟如下：

(1)首先配制硝酸鈰前驅體溶液；

(2)將步驟(1)配制好的前驅體溶液加入到超聲霧化裝置中，利用超聲波的空化效應，使得溶液霧化成煙霧氣態，形成微納米級溶液的霧滴；

(3)用風機將步驟(2)產生的霧滴抽送到高溫氣氛中進行噴霧熱解，產生高純、微納米級的氧化鈰粉末；

(4)利用粉體回收裝置將步驟(3)產生的氧化鈰粉回收，得到成品；

(5)利用吸收塔吸收硝酸氣體，得到硝酸溶液，用于步驟(1)配制硝酸鈰前驅體。

步驟(2)中，所述超聲霧化裝置底部設有配電及霧化發生器，利用直流電產生的高于20khz的振動頻率產生的超聲波，配電及霧化發生器上方設有霧化換能器，霧化換能器上方設有霧化換能液，配電及霧化發生器產生的超聲波依次通過霧化換能器和霧化換能液傳遞給前驅體溶液。所述的霧化換能液的組成是去離子水。

步驟(2)中，所述的亞微米級溶液的粒徑為10—100nm。

超聲波有如下特性：

1)超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質中有效傳播。

2)超聲波可傳遞很強的能量。

3)超聲波會產生反射、干涉、疊加和共振現象。

4)超聲波在液體介質中傳播時，可在界面上產生強烈的沖擊和空化現象

本發明與現有技術相比，具有以下顯著特征和有益效果：

本發明的納米級高純度氧化鈰粉的生產方法生產的氧化鈰純度高、顆粒分散性好、產品細度達到納米級的要求。使溶劑蒸發和金屬溶鹽熱解同時發生，工藝路線短，一步法生產氧化鈰。

附圖說明

圖1是本發明中的超聲霧化裝置的結構示意圖；

1配電及霧化發生器、2霧化換能液、3霧化室、4氧化鈰前驅體溶液、5霧化換能器。

圖2是本發明的納米級高純度氧化鈰粉的生產方法的工藝流程圖。

圖3是ceo2的晶體結構。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只用于對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，該領域的技術熟練人員根據上述本發明內容對本發明所作的一些非本質的改進和調整仍應屬于本發明的保護范圍。

實施例1

本發明的納米級高純度氧化鈰粉的生產方法的具體步驟如下：

(1)首先配制硝酸鈰前驅體溶液；

(2)將步驟(1)配制好的前驅體溶液加入到超聲霧化裝置中，利用超聲波的空化效應，使得溶液霧化成煙霧氣態，形成納米級溶液的霧滴；

(3)用風機將步驟(2)產生的霧滴抽送到高溫氣氛中進行噴霧熱解，產生高純納米級的氧化鈰粉末；

(4)利用粉體回收裝置將步驟(3)產生的氧化鈰粉進行回收，得到成品；

(5)利用吸收塔吸收硝酸氣體，得到硝酸溶液，用于步驟(1)配制硝酸鈰前驅體。

步驟(2)中，所述超聲霧化裝置底部設有配電及霧化發生器，利用直流電產生的高于20khz的振動頻率產生的超聲波，配電及霧化發生器上方設有霧化換能器，霧化換能器上方設有霧化換能液，配電及霧化發生器產生的超聲波依次通過霧化換能器和霧化換能液傳遞給前驅體溶液。所述的霧化換能液的組成是去離子水(工業純水)。

步驟(2)中，所述的納米級溶液的粒徑為10—100nm。

實施例1生產的高純度氧化鈰的技術指標分析如表1所示：

表1化學成分(％)

盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。