專利名稱：一種二氧化鈰多晶納米帶的制備方法
技術領域：
本發明涉及納米材料制備研究領域，具體說涉及Ce02多晶納米帶的制備方法。
背景技術：
無機物納米帶的制備與性質研究目前是材料科學、化學、凝聚態物理等學科研究 的前沿熱點之一。納米帶是一種用人工方法合成的呈帶狀結構的納米材料，它的橫截面是 一個矩形結構，其厚度在納米量級，而長度可達幾百微米，甚至幾毫米。納米帶由于其不同 于管、線材料的新穎結構以及獨特的光、電、磁等性能而受到廣泛關注。納米帶雖然缺少柱 形納米管所具有的高結構力，但其生產過程簡單可控，且大量生產時能夠保證材料結構均 一 ，基本沒有缺陷，因而弓I起人們的高度重視。 納米&02具有廣泛的應用，例如，可用于汽車尾氣三元凈化催化劑、電子陶瓷、固 體電解質和紫外線吸收劑。Ce02對玻璃等有較好的拋光作用，納米Ce02則有較高的拋光精 密度，已用于液晶顯示、硅單晶片、玻璃存儲等的精密拋光。納米級Ce02可以提高PVC建材 的耐候性。總之，納米Ce02的應用才剛剛開始，而且集中在高科技新材料領域，附加值高， 應用面廣，潛力巨大，商業前景十分看好。 納米Ce02粒子的制備方法很多，如沉淀法、溶膠_凝膠法、水熱法、膠溶法、微乳液 法、室溫固相法、微波加熱法、水解法等。不同方法所制備的納米Ce02粒子的大小、形貌、團 聚狀態不同。人們也采用不同方法制備了準一維納米材料，如納米管、納米線、納米纖維和 納米帶。Dengsong Zhang，et al采用以碳納米管為模板，合成了 Ce02納米管(Journal of Solid StateChemistry， 2007， 180(2) ，654-660) ;Ku-Lu Yu， et al采用在陽極氧化鋁膜中 制備了Ce02納米管(Materials Science and Engineering :B， 2007， 139 (2-3) ， 197-200); Chengsi Pan, et al采用在CTAB輔助下，利用水熱法合成了 Ce02納米片、納米管和納米棒 (Journal of Solid State Chemistry :2008， 181 (6) ， 1298-1306);楊儒等，在低溫水熱條 件下，在十八胺分子模板導向下合成了多層有序排列的Ce(^納米管狀結構(無機化學學 報，2004， 20 (2) ， 152-158) 。Li Yingying，et al采用水熱法制備了 Ce(^納米線(Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures，2009，41(8)，1550-1553) ;G. S. Wu，et al 采用多孔陽極氧化鋁為模板與溶膠-凝膠法相結合的方法制備了 &02納米線(Materials Research Bulletin, 2004， 39 (7-8) ， 1023-1028) ;Ren-Jiang La， et al在陽極氧化鋁膜中 合成了 Ce02有序納米線陣列(Materials Science and Engineering A， 2004， 368 (1-2)， 145-148) ;Dengsong Zhang， et al采用乙二醇回流法制備了碳納米管/Ce02核殼結構納米 線(Applied Surface Science, 2009， 255 (11) ， 5789-5794) ;Lai Yan， et al采用在有機表 面活性劑幫助下，利用醇熱法制備了大量的Ce02納米線(Physica B :Condensed Matter, 2007， 390 (1-2) ，59-64);邵長路等報道了采用靜電紡絲技術制備了 Ce02納米纖維(Thin Solid Films, 2005， 478 (1-2) ，228-231);董相廷等報道了采用靜電紡絲技術制備了 Ce02多 孔空心納米纖維(Journal of RareEarths， 2008， 26 (6) ， 664-669) 。 Li Guo-Ren，et al報道 了用電化學沉積法在Cu基板上制備了 Ce02納米帶(Electrochemistry Communications,2008， 10(1) ，80-84) ;Fubo Gu， et al采用反相微乳液法制備了 Ce02納米帶、納米棒和納 米纖維(Materials Science and Engineering :B， 2007， 139 (1) ， 62-68);王孫昊等采用 Ce (N03) 3 *6H20為原料，尿素為沉淀劑，聚乙二醇為表面活性劑，利用微波均相法制備了氧化 鈰納米帶(中國粉體技術2009， 15 (5) ， 46-48)。 專利號為1975504的美國專利公開了一項有關靜電紡絲方法(electrospinning) 的技術方案，該方法是制備連續的、具有宏觀長度的微納米纖維的一種有效方法，由 Formhals于1934年首先提出。這一方法主要用來制備高分子納米纖維，其特征是使帶 電的高分子溶液或熔體在靜電場中受靜電力的牽引而由噴嘴噴出，投向對面的接收屏，從 而實現拉絲，然后，在常溫下溶劑蒸發，或者熔體冷卻到常溫而固化，得到微納米纖維。近 IO年來，在無機纖維制備技術領域出現了采用靜電紡絲方法制備無機化合物如氧化物納 米纖維的技術方案，所述的氧化物包括Ti02、 Zr02、 Y203、 Y203:RE3+(RE3+ = Eu3+、 Tb3+、 Er3+、 Yb3+/Er3+) 、 NiO、 Co304、 Mn203、 Mn304、 CuO、 Si02、 A1203、 V205、 ZnO、 Nb205、 Mo03、 Ce02、 LaM03(M =Fe、 Cr、 Mn、 Co、 Ni) 、 Y3A15012、 La2Zr207等金屬氧化物和金屬復合氧化物。已有人利用靜 電紡絲技術成功制備了高分子納米帶(Materials Letters, 2007， 61 :2325-2328 Journal of PolymerScience :Part B :Polymer Physics, 2001， 39 :2598-2606)。有人利用錫的有 機化合物，使用靜電紡絲技術與金屬有機化合物分解技術相結合制備了多孔Sn02納米帶 (Nanotechnology，2007，18 :435704);有人利用靜電紡絲技術首先制備了 PE0/氫氧化錫復 合納米帶，將其焙燒得到了多孔Sn02納米帶(J.Am. Ceram. Soc. ，2008,91 (1) :257-262)。董 相廷等，采用聚甲基丙烯酸甲酯為模板劑，利用靜電紡絲技術制備了 Ti0j內米帶(中國發 明專利200810050948. 2)。目前未見有靜電紡絲技術制備Ce02納米帶的相關報道。
利用靜電紡絲技術制備納米材料時，原料的種類、高分子模板劑的分子量、紡絲液 的組成、紡絲過程參數和熱處理工藝對最終產品的形貌和尺寸都有重要影響。本發明采用 靜電紡絲技術，以硝酸鈰(Ce(N03)3*6H20)為原料，聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為90000) 作為高分子模板劑，N， N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，在最佳的實驗條件下，制備出PVP/ Ce(N03)3復合納米帶，再經過高溫處理后得到Ce02多晶納米帶。
發明內容
在背景技術中的制備Ce(^納米粒子、納米管、納米線、納米纖維，采用了沉淀法、溶 膠-凝膠法、水熱法、膠溶法、微乳液法、室溫固相法、微波加熱法、水解法、溶劑熱法、靜電 紡絲法等；制備Ce(^納米帶的方法包括電化學沉積法、反相微乳液法和微波均相法。背景 技術中的使用靜電紡絲技術制備高分子納米帶、Sn02納米帶和Ti02納米帶等，所使用的原 料、模板劑和溶劑都與本發明的方法不同。本發明使用靜電紡絲技術制備了 &02多晶納米 帶，帶寬3 5 ii m，厚度65 120nm，長度大于500 y m。 本發明是這樣實現的，首先制備出用于靜電紡絲的具有一定粘度的紡絲溶液，應 用靜電紡絲技術進行靜電紡絲，在最佳的實驗條件下，制備出PVP/Ce (N03) 3復合納米帶，再 經過高溫熱處理后得到Ce02多晶納米帶。
其步驟為
(1)配制紡絲液 紡絲液中鈰源使用的是硝酸鈰，高分子模板劑采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為90000)。溶劑采用DMF。稱取一定量的硝酸鈰，溶于適量的DMF溶劑中，再稱取一定量 的PVP加入到上述溶液中，于室溫下磁力攪拌2 4h，并靜置2 3h，即形成紡絲液。該紡 絲液各組成部分的質量百分數為硝酸鈰含量8 10%， PVP含量15 20%，其余為溶劑 DMF。 (2)制備PVP/Ce (N03) 3復合納米帶 采用靜電紡絲技術，技術參數為直流電壓為15 20kV;噴嘴口徑為0. 8mm;噴 嘴與水平面的夾角為20° ;注射器針頭噴嘴到接收屏的固化距離為20 22cm ;室內溫度 18 28。C，相對濕度為40% 60%。
(3)制備Ce02多晶納米帶 將所獲得的PVP/Ce(N03)3復合納米帶進行熱處理，技術參數為升溫速率為1 2°C /min，在600 80(TC溫度范圍內保溫5 10h，之后隨爐體自然冷卻至室溫，至此得到 &02多晶納米帶。 在上述過程中所制備的PVP/Ce(NO》復合納米帶表面比較光滑平整，所制備的 Ce02多晶納米帶由納米粒子構成，納米帶的寬度為3 5ii m，厚度為65 120nm，長度大于 500iim，實現了發明目的。
圖1是PVP/Ce (N03) 3復合納米帶的SEM照片。 圖2是&02多晶納米帶的SEM照片，該圖兼作摘要附圖。 圖3是Ce02多晶納米帶的XRD譜圖。 圖4是Ce02多晶納米帶的EDS譜圖。
具體實施例方式
本發明所選用的硝酸鈰(Ce(N03)3 61120)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量90000)、 N， N-二甲基甲酰胺(DMF)均為市售分析純產品；所用的玻璃儀器和設備是實驗室中常用 的。 實施例1 :稱取一定量的硝酸鈰，溶于適量的DMF溶劑中，再稱取一定量的PVP加 入到上述溶液中，于室溫下磁力攪拌2h，并靜置2h，即可得到均一、透明且有一定粘度的 紡絲液。該紡絲液各組成部分的質量百分數為硝酸鈰含量8%， PVP含量20X， DMF含量 72%。將配制好的紡絲液加入紡絲裝置的儲液管中，進行靜電紡絲，噴嘴口徑0. 8mm，調整噴 嘴與水平面的夾角為20° ，施加20kV的直流電壓，固化距離20cm，室溫18。C，相對濕度為 40%，得到PVP/Ce(N03)3復合納米帶。將所制備的PVP/Ce(N03)3復合納米帶放到程序控溫 爐中進行熱處理，升溫速率為1°C /min，在60(TC恒溫10h，之后隨爐體自然冷卻至室溫，即 得到Ce(^多晶納米帶。所制備的PVP/Ce(N0》3復合納米帶表面比較光滑平整，見圖l所示。 所制備的Ce02多晶納米帶的寬度為3 5 ii m，厚度為65 120nm，長度大于500 y m，見圖2 所示。所制備的Ce02多晶納米帶具有良好的晶型，其衍射峰的d值和相對強度與JCPDS標 準卡片Ce(^ (34-0394)所列的d值和相對強度一致，屬于立方晶系，見圖3所示。&02多晶 納米帶由Ce和0元素組成(Pt來自于SEM制樣時表明鍍的Pt導電層)，見圖4所示。
實施例2 :稱取一定量的硝酸鈰，溶于適量的DMF溶劑中，再稱取一定量的PVP加入到上述溶液中，于室溫下磁力攪拌4h，并靜置3h，即可得到均一、透明且有一定粘度的紡 絲液。該紡絲液各組成部分的質量百分數為硝酸鈰含量10%， PVP含量15%， DMF含量 75%。將配制好的紡絲液加入紡絲裝置的儲液管中，進行靜電紡絲，噴嘴口徑0. 8mm，調整噴 嘴與水平面的夾角為20° ，施加15kV的直流電壓，固化距離22cm，室溫28。C，相對濕度為 60%，得到PVP/Ce(N03)3復合納米帶。將所制備的PVP/Ce(N03)3復合納米帶放到程序控溫 爐中進行熱處理，升溫速率為2°C /min，在80(TC恒溫5h，之后隨爐體自然冷卻至室溫，即得 到Ce02多晶納米帶。所制備的Ce02多晶納米帶的寬度為3 m，厚度為70 120nm，長 度大于500 ii m，具有良好的晶型，屬于立方晶系。 當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟 悉本領域的技術人員當可根據本發明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變 形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
一種二氧化鈰多晶納米帶的制備方法，其特征在于，采用靜電紡絲技術，使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為高分子模板劑，采用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑，制備產物為二氧化鈰多晶納米帶，其步驟為(1)配制紡絲液紡絲液中使用硝酸鈰(Ce(NO3)3·6H2O)為鈰源，高分子模板劑采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP，分子量為90000)，溶劑采用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，將所述硝酸鈰、高分子模板劑溶于溶劑中，于室溫下磁力攪拌2～4h，并靜置2～3h，即形成紡絲液，該紡絲液各組成部分的質量百分數為硝酸鈰含量8～10％，PVP含量15～20％，其余為溶劑DMF；(2)制備PVP/Ce(NO3)3復合納米帶采用靜電紡絲技術，技術參數為直流電壓為15～20kV，噴嘴口徑為0.8mm，噴嘴與水平面的夾角為20°，注射器針頭噴嘴到接收屏的固化距離為20～22cm，室內溫度18～28℃，相對濕度為40％～60％；(3)制備CeO2多晶納米帶將所獲得的PVP/Ce(NO3)3復合納米帶進行熱處理，技術參數為升溫速率為1～2℃/min，在600～800℃溫度范圍內保溫5～10h，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到CeO2多晶納米帶。
2. 根據權利要求1所述的二氧化鈰多晶納米帶的制備方法，其特征在于，鈰源使用的是硝酸鈰(Ce(N03)3 6H20)。
3. 根據權利要求1所述的二氧化鈰多晶納米帶的制備方法，其特征在于，高分子模板劑為分子量Mr = 90000的聚乙烯吡咯烷酮。
4. 根據權利要求1所述的二氧化鈰多晶納米帶的制備方法，其特征在于，溶劑采用N，N-二甲基甲酰胺。
全文摘要
本發明涉及二氧化鈰多晶納米帶的制備方法，屬于納米材料制備技術領域。本發明包括三個步驟(1)配制紡絲液，將Ce(NO3)3·6H2O和PVP溶于DMF中形成紡絲液；(2)采用靜電紡絲技術制備PVP/Ce(NO3)3復合納米帶，其中電壓為15～20kV，噴嘴口徑為0.8mm，噴嘴與水平面的夾角為20°，固化距離為20～22cm，室內溫度18～28℃，相對濕度為40％～60％；(3)制備CeO2多晶納米帶，將PVP/Ce(NO3)3復合納米帶在600～800℃下保溫5～10h，之后自然冷卻至室溫即可得到CeO2多晶納米帶，寬度為3～5μm，厚度為65～120nm，長度大于500μm。
文檔編號B82B3/00GK101792170SQ20101010804
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月10日 優先權日2010年2月10日
發明者于文生, 劉桂霞, 樊繼霜, 王進賢, 董相廷 申請人:長春理工大學