一种纳米级高纯度氧化铈粉的生产方法与流程

本发明涉及有色金属粉体技术领域，尤其涉及一种纳米级高纯度氧化铈粉的生产方法。

背景技术：

氧化铈(ceo2)，由于ce具有独特的4f层电子结构，氧化铈属于立方晶系，是面心立方结构，具有萤石结构。所属点群为fm3m点群。从热动力学方面讲，其(111)面是最稳定的。ceo2晶胞中的ce⁴⁺按面心立方阵排列，o2-占据所有的四面体位置，每个ce4+被8个o^2-包围，而每个o^2-则与4个ce⁴⁺配位，如下图所示。氧化铈经高温(t>950℃)还原后，ceo2转化为具有氧空位、非化学计量比的ceo2-x氧化物(0<x<0.5)^[6]，而在低温下(t<450℃)ceo2可形成一系列组成各异的化合物。值得注意的是，即使从晶格上失去相当数量的氧，形成大量氧空位之后，ceo2-x仍然能保持萤石型晶体结构，这种亚稳氧化物暴露于氧化环境时又易氧化为ceo2^[7]，因而ceo2具有优越的储存和释放氧功能及氧化还原反应能力。

氧化铈为淡黄色粉末，熔点为2600℃，在常温下比较稳定，溶于硫酸；在硝酸中加过氧化氢也能溶解；溶于盐酸时逸出氯；不溶于稀酸(稀硫酸除外)和水。ceo2的热稳定性较高，800℃时可保持晶型不变，在980℃时失去一部分氧原子。

用途：ceo2作为稀土家族中一种重要的化合物广泛用于汽车尾气净化催化材料^[1]、高温氧敏材料^[2]、固体氧化物燃料电池(sofc)电极材料^[3][4]、化学机械抛光(cmp)研磨材料^[5]等行业，对人类改善工作条件、提高生活质量、保障身体健康,节约能源、加强环境保护具有重要的现实意义,并具有显著的经济效益和社会效益。

目前国内外对纳米ceo2的制备尚处于实验室的研究阶段,制备纳米ceo2方法归纳起来主要有:固相法、液相法和气相法^[9]。

固相法一般是把金属氧化物或其盐按照配方充分混合,研磨后进行煅烧,最终得到金属及金属氧化物的超细粒子。一般认为固相反应过程经历四个阶段:反应物扩散-化学反应-产物成核-晶体生长。当成核速度大于生长速度时,有利于生成纳米微粒；如果生长速度大于成核速度,则形成块状晶体。固相法所用设备简单、操作方便，但所得粉体往往纯度不够，粒度分布也较大，适用于要求比较低的场合。

气相法分为物理气相法与化学气相法。气相法是指两种或两种以上的单质或化合物在气相中发生化学反应生成纳米级新化合物的方法。一般而言，气相法所得粉体的纯度较高、团聚较少、烧结性能也较好，其缺点是设备昂贵、产量较低、不易普及。

液相法主要是在液相体系中通过控制液相化学反应的条件，如反应物浓度、反应温度与时间、搅拌速度、水解速度、共沉淀等形成前驱体的方法。主要有沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法、电化学法等。液相法介于气相法和固相法之间，与气相法相比，液相法具有设备简单、无需高真空等苛刻物理条件、易放大等优点，同时又比固相法制备的粉体纯净、团聚少，很容易实现工业化生产，是目前制备纳米粒子最常用的方法。液相法主要有沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法、电化学法等。

本方法生产氧化铈粉体主要是利用喷雾热解技术，方法是将配置的硝酸铈溶液作为前驱体，在高压泵的输送下送入离心式机械喷嘴，形成射流进入高温气氛中进行喷雾热解生产氧化铈粉。

近年来虽然纳米ceo2的制备得到了很大的发展,但在纳米ceo2制备的多种方法中,所存在着一些普遍的问题,如:颗粒团聚严重,粒径分布不均匀,单分散性差,性能不稳定等,这些问题的存在影响了纳米ceo2功能材料使用性能。因此如何做到颗粒尺寸和形状可控,得到粒度分布均匀,单分散性好的纳米ceo2,成为当前纳米ceo2制备研究中需重点探讨的难点。此外综合目前国内外的报道来看,大多数基础研究仍只停留在改进合成工艺的层面上,且表征往往局限于最终的粉体,对纳米ceo2的成核与生长这一中间过程还缺少动态、系统的观测与分析。

技术实现要素：

现有的喷雾热解技术由于采用离心式机械射流喷嘴，对金属溶液起不到粉碎、空化效应，所以喷雾热解产生的氧化铈的细度在100纳米以上，纯度低，满足不了高端制造业的需求。本发明提供了一种纳米级高纯度氧化铈粉的生产方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明的纳米级高纯度氧化铈粉的生产方法的具体步骤如下：

(1)首先配制硝酸铈前驱体溶液；

(2)将步骤(1)配制好的前驱体溶液加入到超声雾化装置中，利用超声波的空化效应，使得溶液雾化成烟雾气态，形成微纳米级溶液的雾滴；

(3)用风机将步骤(2)产生的雾滴抽送到高温气氛中进行喷雾热解，产生高纯、微纳米级的氧化铈粉末；

(4)利用粉体回收装置将步骤(3)产生的氧化铈粉回收，得到成品；

(5)利用吸收塔吸收硝酸气体，得到硝酸溶液，用于步骤(1)配制硝酸铈前驱体。

步骤(2)中，所述超声雾化装置底部设有配电及雾化发生器，利用直流电产生的高于20khz的振动频率产生的超声波，配电及雾化发生器上方设有雾化换能器，雾化换能器上方设有雾化换能液，配电及雾化发生器产生的超声波依次通过雾化换能器和雾化换能液传递给前驱体溶液。所述的雾化换能液的组成是去离子水。

步骤(2)中，所述的亚微米级溶液的粒径为10—100nm。

超声波有如下特性：

1)超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2)超声波可传递很强的能量。

3)超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象

本发明与现有技术相比，具有以下显著特征和有益效果：

本发明的纳米级高纯度氧化铈粉的生产方法生产的氧化铈纯度高、颗粒分散性好、产品细度达到纳米级的要求。使溶剂蒸发和金属溶盐热解同时发生，工艺路线短，一步法生产氧化铈。

附图说明

图1是本发明中的超声雾化装置的结构示意图；

1配电及雾化发生器、2雾化换能液、3雾化室、4氧化铈前驱体溶液、5雾化换能器。

图2是本发明的纳米级高纯度氧化铈粉的生产方法的工艺流程图。

图3是ceo2的晶体结构。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明所作的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明的纳米级高纯度氧化铈粉的生产方法的具体步骤如下：

(1)首先配制硝酸铈前驱体溶液；

(2)将步骤(1)配制好的前驱体溶液加入到超声雾化装置中，利用超声波的空化效应，使得溶液雾化成烟雾气态，形成纳米级溶液的雾滴；

(3)用风机将步骤(2)产生的雾滴抽送到高温气氛中进行喷雾热解，产生高纯纳米级的氧化铈粉末；

(4)利用粉体回收装置将步骤(3)产生的氧化铈粉进行回收，得到成品；

(5)利用吸收塔吸收硝酸气体，得到硝酸溶液，用于步骤(1)配制硝酸铈前驱体。

步骤(2)中，所述超声雾化装置底部设有配电及雾化发生器，利用直流电产生的高于20khz的振动频率产生的超声波，配电及雾化发生器上方设有雾化换能器，雾化换能器上方设有雾化换能液，配电及雾化发生器产生的超声波依次通过雾化换能器和雾化换能液传递给前驱体溶液。所述的雾化换能液的组成是去离子水(工业纯水)。

步骤(2)中，所述的纳米级溶液的粒径为10—100nm。

实施例1生产的高纯度氧化铈的技术指标分析如表1所示：

表1化学成分(％)

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。