水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种稀土铈基氧化物纳米材料的合成方法，特别是涉及一种铈锆氧化物纳米材料的合成方法。
【背景技术】
[0002]铈锆氧化物，或氧化铈与氧化锆的共溶体氧化物，是一种稀土铈基复合材料，在工业上有着广泛用途。例如，用作光学玻璃、石英玻璃、半导体、LED的抛光材料，化妆品、纺织物、透光玻璃的紫外屏蔽材料，特种板材的表层热障或耐磨材料，燃料电池阳极的催化促进齐U，负载型催化剂的载体或助催化剂，以及储氢、传感、发光、陶瓷等材料的改性剂。
[0003]铈锆氧化物在工业上的大部分用量是用作机动车尾气净化三元催化剂的储氧/释氧材料，该材料源于Ce3+/Ce4+的可逆变价，当尾气中富氧时吸氧、贫氧时释氧，即维持动态氧平衡以扩大空/燃比窗口，使得氧化除去CO、HC及还原去除NOx的反应可同时发生。因此，铈锆氧化物被认为是三元催化剂的关键材料。此外，铈锆氧化物还用于柴油燃烧催化剂以及柴油车尾气净化催化剂的改性剂，有利于降低NOx及颗粒物排放。
[0004]近年来，为了增强铈锆氧化物各种用途的功能或性能，人们对其合成方法进行了广泛研究，并将研究重点从合成或制备微米级颗粒材料转移至纳米级材料。
[0005]专利文献CN 101696034 (2010.04.21)公开了“一种纳米氧化铈和氧化锆固溶体的制备方法”，其中将铈锆盐类溶液与氨水溶液反应生成沉淀，经陈化、洗涤、过滤，滤饼溶于硝酸并加入表面活性剂回流得到胶体，经干燥、400~900°C焙烧3~5h得到产物材料。
[0006]专利文献CN 1449863 (2003.10.22)公开了 “一种纳米铈锆基复合氧化物及其制备方法”，其中将铈、锆及其它金属的硝酸盐水溶液与含过量双氧水的氨水溶液反应生成沉淀，经陈化、过滤、干燥后在500~1000°C焙烧2~6h获得产物材料。
[0007]专利文献CN 102407100 (2012.04.11)公开了“纳米铈锆基固溶体稀土储氧材料及其制备方法”，其中将经乳化作用得到的铈锆硝酸盐层状液晶与氨水层状液晶混合得到前驱体，将前驱体在80~120°C干燥8~12h，450~800°C焙烧4~8h制得产物材料。
[0008]专利文献CN 103316657 (2013.09.25)公开了“一种高性能铈锆纳米复合氧化物制备方法”，以铈、锆的硝酸盐和其它可溶盐为原料采用共沉淀法制备铈锆复合氧化物，其中用真空烘干除水，在氮气氛下600-800°C焙烧l-2h、空气中300-500°C焙烧2-3h得产物材料。
[0009]以上专利文献的主要特征，包括用铈锆的盐水溶液与碱水溶液反应生成沉淀，以及经过干燥、高温焙烧步骤获得产物材料。但经过干燥、焙烧后的铈锆氧化物为微米级颗粒材料，通常会结块，难以具备纳米特性，在用于包括储氧材料在内的各种功能用途时需要进行球磨，而球磨操作繁硕、费时，由于是机械破碎，得到的颗粒粒度分布宽，形状不规整，难以达到理想效果(粒度大小、粒度分布、颗粒形状直接影响材料性能)；同时球磨常用钢玉(a -Al2O3)或锆石(ZrO2)，可能磨掉一部分掺进材料中而改变组成。若将球磨后的材料用于抛光，不规整的形状对基材表面易于造成划痕，难以得到精密的抛光效果。
[0010]期刊文献Advanced Materials 2007，19，4500-4504 (C.S.Wright et al., DEC2007)报道了 “纳米晶氧化铈-氧化锆混合氧化物的一步水热合成”，其中将铈、锆的氯化物、无机碱类以及H2O2或NaBrO 3分别配制成水溶液，充分混合后于240°C水热合成24h，冷却后得到固体产物，经抽滤、80°C水洗，50°C干燥，得到成品铈锆氧化物纳米颗粒团聚物，经TEM观测颗粒尺寸为4~10nm ;其用于催化材料的有益效果是因包含钠杂质，在约190°C出现还原峰。
[0011]期刊文献EuropeanJournal of Inorganic Chemistry 2009, 14, 2054-2057 (T.Taniguchi et al.，MAY 2009)报道了“单分散Cea5Zra5O2介稳固溶体纳米晶的水热合成”，其特征为以硝酸铈铵及氯化氧锆为原料配成水溶液，与物质的量浓度相同的油酸钠水溶液混合，再加入浓氨水混和，将此混合物在200°C恒温6h，冷却后固体产物经5000rpm离心30min并水洗，于150°C干燥6h得到产品，将产品分散于环已烷中，经TEM测得纳米颗粒尺寸为2.5~4nm。
[0012]期刊文献Journal of Solid State Chemistry 2009，182，2475-2485 (H.P.Zhou ea al., SEP 2009)报道了“氧化铈基固溶体纳米晶的常规简易合成及其催化性能”，其特征为将硝酸铈铵及硝酸氧锆溶液与氨水沉淀得到铈锆氢氧化物，将沉淀物加入油酸与油胺混合液中制成浆料，在140°C加热30min后在Ar气氛下以12°C /min速率加热到300~330°C保持0.5~lh，冷却后加入过量乙醇离心分离并洗涤，经70°C干燥得到纳米晶团聚物，易于再分散至环已烷、甲苯等有机溶剂中，经TEM测得X = 0.2、0.4、0.5、0.6、0.8的CepxZrxO2纳米晶尺寸各为 4.2±0.8,3.9±0.6,5.0±0.7,3.8±0.6,5.1±0.6 nm。
[0013]上述期刊文献的一个共同特征是，使用水热或溶剂热方法合成了 Ce、Zr不同原子比的氧化物固溶体纳米晶，尺寸在2.5~10nm范围，但得到的纳米晶均是团聚物，只能分散在环已烷、甲苯等非极性有机介质中用于表征。若将这些团聚物用于催化材料或其它功能用途，尚需经过干燥、高温焙烧，而焙烧后将进一步团聚，或经喷雾造粒团聚为微米级颗粒，均难以体现纳米材料的独特性能。若将团聚物分散于有机介质中，虽然可用纳米自组装的方法制备出催化材料或其它功能材料并体现一定的纳米特性，但有机介质存在易燃、有毒、大量使用成本高的弊端，难以在工业上得到实际应用。
[0014]在纳米合成中，人们通常希望获得单晶体及单分散的纳米材料，即尺寸及形状均匀一致的单晶体纳米颗粒在基材表面或分散介质中以单个颗粒独立存在的纳米材料，这种材料最有可能体现如小尺寸效应、表面效应、量子效应等纳米特性。如果多个纳米颗粒聚结在一起而发生团聚，团聚作用将减弱纳米特性，团聚颗粒尺寸愈大，纳米特性愈弱；当团聚到一定程度则聚沉为沉淀，经过滤、干燥、焙烧得到的多晶材料已无异于常规材料。
[0015]铈锆氧化物纳米颗粒因比表面能大而非常不稳定，同时因其表面非极性而具疏水性质，使其在水介质中极易聚结而团聚，且一经团聚将难以分散。因此，在水介质中合成具有纳米特性、纳米颗粒呈单分散的铈锆氧化物纳米材料，并使这种材料在工业上可能得到广泛应用，在纳米合成技术领域一直面临着困难与挑战。
【发明内容】
[0016]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，以解决铈锆氧化物纳米材料能够得到广泛工业应用所必须解决的纳米颗粒在水介质中单分散这一关键技术问题。
[0017]为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下。
[0018]水介质分散铈锆氧化物纳米材料，是以水为分散介质，以氧化铈与氧化锆组成的固溶体纳米颗粒为分散相的溶胶体，其中纳米颗粒为单晶体，纳米尺度为2?8nm，在水介质中为单分散；氧化铈与氧化锆组成的固溶体纳米颗粒亦称铈锆氧化物纳米颗粒，通式记为CexZivxO2，其中X = 0.2?0.8，表示Ce的物质的量分数KexZivxO2的质量(w/g)占溶胶体体积(V/ml)的百分数为5?10% ；
水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，其特征在于，包括下列步骤:
(1)用Ce及Zr的无机盐类水溶液与无机碱类水溶液进行沉淀反应，制备Ce-Zr混合氢氧化物沉淀物；
(2)将Ce-Zr混合氢氧化物沉淀物加热回流，制备Ce-Zr氢氧化物共溶体；
(3)将Ce-Zr氢氧化物共溶体经过滤及洗涤，制备Ce-Zr氢氧化物水凝胶；
(4)将Ce-Zr氢氧化物水凝胶与有机醇类、有机酸类、高聚物混合，制备Ce-Zr氧化物合成浆料；
(5)将Ce-Zr氧化物合成衆料加热并经一步水热合成,得到水介质分散铺错氧化物纳米材料。
[0019]如上述水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，其中步骤(I)所述Ce的无机盐类是水溶性无机盐类，包括硝酸铈、硝酸铈铵、三氯化铈、醋酸铈、碳酸铈中的一种或一种以上组合；所述Zr的无机盐类是水溶性无机盐类，包括硝酸锆、硝酸氧锆、氯化氧锆、醋酸氧锆、碳酸氧锆中的一种或一种以上组合；所述无机碱类是水溶性无机碱类，包括氨水、碳酸铵、碳酸氢铵、碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或一种以上组合。
[0020]所述沉淀反应的方式为,将无机碱类水溶液加入Ce及Zr的无机盐类水溶液中，或将Ce及Zr的无机盐类水溶液加入无机碱类水溶液中，或将Ce及Zr的无机盐类水溶液、无机碱类水溶液同时加入另一容器的水中，得到Ce-Zr混合氢氧化物沉淀物。
[0021]所用无机盐类的量使得沉淀反应的终点pH在7?10范围。
[0022]在沉淀反应中，对沉淀物的悬浊液进行搅拌，以将沉淀物搅散为宜。
[0023]如上述水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，其中步骤(2)所述加热回流前，将步骤(I)得到的Ce-Zr混合氢氧化物沉淀物的悬浊液在室温?60°C范围恒温搅拌I?5h，或陈放过夜；然后加入有机醇类，于搅拌下升温至80?110°C范围恒温回流I?8h，然后冷却至室温，得到Ce-Zr氢氧化物共溶体。
[0024]所述有机醇类包括乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇中的一种或一种以上组合，加入有机醇类的量使得回流时的沸点温度不超过110°c。
[0025]如上述水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，其中步骤(3)所述过滤的方式为抽滤或压滤；所述洗涤是用纯水洗至滤液PH呈中性，得到Ce-Zr氢氧化物水凝胶；较后一次过滤及洗涤，使得铈锆氢氧化物水凝胶依据CexZivxO2的组成保持确定的含水量，其中:
对于合成Cea8Zra2O2，含水量为76?84w% ；
对于合成Cea6Zra4O2，含水量为80?86w% ；
对于合成Cea4Zra6O2，含水量为83?88w% ； 对于合成Cea2Zra8O2，含水量为85?90w%。
[0026]如上述水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，其中步骤(4)所述制备Ce-Zr氧化物合成浆料，是将有机醇类、有机酸类及高聚物水溶液分别加入Ce-Zr氢氧化物水凝胶中，于室温?80°C范围恒温搅拌I?5h混合分散，得到Ce-Zr氧化物合成浆料。
[0027]所述有机醇类是水溶性有机醇类，包括乙醇、乙二醇、正丙醇、异丙醇、丙二醇、丙三醇中的一种或一种以上组合；所述有机酸类是水溶性有机酸类，包括乳酸、柠檬酸、丙酮酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乙二酸、丙二酸、丁二酸中的一种或一种以上组合；所述高聚物是水溶性高聚物，包括聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、三嵌段共聚物中的一种或一种以上组合。
[0028]所述有机醇类的用量不超过合成的铈锆氧化物的质量；所述有机酸类的用量不超过合成的铈锆氧化物的质量；所述高聚物的用量不超过合成的铈锆氧化物的质量。
[0029]如上述水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，其中步骤(5)所述水热合成，是将Ce-Zr氧化物合成浆料置入水热釜，在120?200°C范围恒温2?8h，然后冷却至室温，得到水介质分散铈锆氧化物纳米材料。
[0030]优选地，为了将Ce的无机盐中的Ce3+氧化为Ce 4+，在上述合成方法所述步骤(I)的沉淀反应前，在铈及锆的无机盐类水溶液中，或无机碱类水溶液中，或同时加入的另一容器的水中加入过氧化氢，加入过氧化氢的物质的量为铈的物质的量的0.3?2.0倍。
[0031]优选地，为了在水介质分散铈锆氧化物纳米材料中掺杂其它金属氧化物，在上述合成方法所述步骤(I)的沉淀反应前，在铈及锆的无机盐类水溶液中加入掺杂金属的水溶性盐,如Sc、Y、La、Pr、Nd、Sm、Al的水溶性盐中的一种或一种以上组合，然后进行沉淀反应；或在经步骤(3)获得的Ce-Zr氢氧化物水凝胶中加入掺杂金属的氢氧化物，如Mg、Ca、Sr、Ba、T1、Si的氢氧化物中的一种或一种以上组合，然后制备合成浆料；加入的掺杂金属的物质的量之和占Ce及Zr的物质的量之和的百分数为O?8%。
[0032]如上述水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，各步骤中所述水为纯水，包括超纯水、蒸馏水、去离子水、工业纯水、自来水中的一种或一种以上组合。
[0033]根据上述水介质分散铈锆氧化物纳米材料的合成方法，得到水介质分散铈锆氧化物纳米材料，其中铺错氧化物纳米颗粒的质量(w/g)占溶胶体体积(V/ml)的百分数为5?10%。
[0034]本发明与现有技术对比，具有下述有益效果。
[0035]由本发明获得的水介质