喷雾热解制备钪锆粉体的方法及该方法制备的钪锆粉体与流程

本发明涉及固体电解质材料
技术领域：
，具体而言，涉及一种喷雾热解制备钪锆粉体的方法及该方法制备的钪锆粉体。
背景技术：
：固体氧化物燃料电池(sofc)是一种高效清洁的能量转换装置，电解质作为其关键组成部分是目前研究的热点。传统的氧化钇稳定氧化锆(ysz)电解质的工作温度一般在1000℃或以上的高温才能得到较高的电能转换效率，如此高的工作温度会导致严重的界面反应和电池部件失效等问题。氧化钪稳定氧化锆(钪锆粉体)是目前锆基电解质中氧离子电导率最高的电解质材料，在800℃下的电导率约为ysz电导率的两倍，成为中低温首选电解质。钪锆粉体的化学成分、形貌和尺寸等直接影响到电解质陶瓷的性能，在钪锆电解质陶瓷材料研究中占有十分重要的地位。目前钪锆粉体的制备方法主要有固相粉碎法、水热法、溶胶-凝胶法和共沉淀法等。这些制备方法原理不同，操作方式不同，得到的产品形貌和性能相差甚大。固相粉碎法工艺简单、生产过程污染少、填充性好、成本低、易大规模生产，但会造成粉料的污染，球磨后的粒度相对较大。水热法具有产品纯度高、结晶度高、粉体粒径均一和烧结性能好等优点，但通常对设备要求高、操作复杂、能耗较大，不适于产业化。溶胶-凝胶法可以在较短的时间内获得分子水平的均匀性，实现分子水平上的均匀掺杂，但溶胶-凝胶法所需原料价格昂贵，一般需要使用有机溶剂对人体有一定的毒性，易板结。共沉淀法具有制备工艺简单、成本低和易于产业化等优点，但共沉淀法存在制备过程中容易发生团聚现象，形成大颗粒，造成陶瓷烧结温度高，烧结性能差等不良后果，严重影响粉体的应用性能。因此，探索一种超细的钪锆粉体的制备方法，具有重要意义。技术实现要素：本发明的主要目的在于提供一种喷雾热解制备钪锆粉体的方法及该方法制备的钪锆粉体，以解决现有技术中制备钪锆粉体时存在的粒径过大、分布不均匀或原料成本过高、操作复杂等问题。为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种喷雾热解制备钪锆粉体的方法，其包括以下步骤：将含钪溶液和含锆溶液混合，得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液进行喷雾热解，得到钪锆粉体。进一步地，喷雾热解过程中，超声喷头功率10～30w，载气流量为10～50l/min，喷雾热解温度为400～1400℃。进一步地，喷雾热解过程中，超声喷头功率15～23w，载气流量为25～40l/min，喷雾热解温度为800～1200℃。进一步地，将含钪溶液、含锆溶液混合，得到钪锆混合溶液。进一步地，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.01～5mol/l。进一步地，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.5～2mol/l。进一步地，钪锆混合溶液中，钪离子摩尔数为钪离子和锆离子总摩尔数的8～13％。进一步地，含钪溶液为氯化钪或硝酸钪的水溶液。进一步地，含锆溶液为氯化锆、硝酸锆、氧氯化锆或硝酸氧锆的水溶液。根据本发明的另一方面，还提供了一种上述方法制备的钪锆粉体。本发明采用喷雾热解法制备了钪锆粉体，具体是将钪锆混合溶液雾化为细小液滴后，通过载气流动带入到高温反应炉中，液滴进入反应炉后，在较短的时间内依次经过了溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥、金属盐热分解及烧结成型等步骤，最后形成了粉末颗粒。上述整个过程迅速完成，粒子在炉膛中碰撞的几率很小且碰撞时间短，因此可有效减少团聚现象，所得钪锆粉体粒子微细、组成均匀，具有良好的分散性。同时，该法产物粒子组成可控，可连续生产，操作简单，原料成本也较低，非常适合工业化大规模应用。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1示出了根据本发明一种实施例的喷雾热解制备钪锆粉体的方法的流程示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。正如
背景技术：
部分所描述的，现有技术中制备钪锆粉体时存在粒径过大、分布不均匀或原料成本过高、操作复杂等问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种喷雾热解制备钪锆粉体的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：将含钪溶液和含锆溶液混合，得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液进行喷雾热解，得到钪锆粉体。本发明采用喷雾热解法制备了钪锆粉体，具体是将钪锆混合溶液雾化为细小液滴后，通过载气流动带入到高温反应炉中，液滴进入反应炉后，在较短的时间内依次经过了溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥、金属盐热分解及烧结成型等步骤，最后形成了粉末颗粒。上述整个过程迅速完成，粒子在炉膛中碰撞的几率很小且碰撞时间短，因此可有效减少团聚现象，所得钪锆粉体粒子微细、组成均匀，具有良好的分散性。同时，该法产物粒子组成可控，可连续生产，操作简单，原料成本也较低，非常适合工业化大规模应用。为了使喷雾热解效果更佳，在一种优选的实施方式中，上述喷雾热解过程中，超声喷头功率10～30w，载气流量为10～50l/min，喷雾热解温度为400～1400℃。更优选地，喷雾热解过程中，超声喷头功率15～23w，载气流量为25～40l/min，喷雾热解温度为800～1200℃。在该工艺条件下，得到的钪锆粉体分散性更佳对于烧结后的电导率具有更大的改善。载气可以采用空气、氧气等。为了进一步改善钪锆粉体的分散性、细化粒径，在一种优选的实施方式中，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.01～5mol/l。同时，为了使钪锆粉体具有良好的分散性，同时提高喷雾热解的效率和效果，优选地，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.5～2mol/l。在一种优选的实施方式中，钪锆混合溶液中，相对于钪离子、锆离子的总摩尔数而言，钪离子的摩尔数占比为8～13％。这样，钪在钪锆粉体中的占比更为适宜，粉体烧结后的电导率更佳。上述含钪溶液和含锆溶液可以使用共沉淀制备方法中的常用类型，在一种优选的实施方式中，含钪溶液为氯化钪或硝酸钪的水溶液；更优选地，含锆溶液为氯化锆、硝酸锆、氧氯化锆或硝酸氧锆的水溶液。氯化钪、硝酸钪、氯化锆、硝酸锆、氧氯化锆、硝酸氧锆在水中具有较好的溶解性，有利于提高钪锆混合溶液中钪离子和锆离子的分散性，对于钪锆粉体的分散性和细化粒径具有更好的促进作用。更具本发明的另一方面，还提供了一种上述方法制备的钪锆粉体。如前文所述，采用该方法制备的钪锆粉体具有更小更均匀的粒径。以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。实施例1：将硝酸钪水溶液、硝酸锆水溶液混合得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液雾化为细小液滴后，通过载气流动带入到高温反应炉中，液滴进入反应炉后，在较短的时间内依次经过了溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥、金属盐热分解及烧结成型等步骤，最后形成钪锆粉体。其中，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.5mol/l，钪离子摩尔数为钪离子和锆离子总摩尔数的8％。超声喷头功率30w，载气流量为30l/min，喷雾热解温度为1200℃。实施例2：将氯化钪水溶液、氧氯化锆水溶液混合得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液雾化为细小液滴后，通过载气流动带入到高温反应炉中，液滴进入反应炉后，在较短的时间内依次经过了溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥、金属盐热分解及烧结成型等步骤，最后形成钪锆粉体。其中，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为5mol/l，钪离子摩尔数为钪离子和锆离子总摩尔数的10％。超声喷头功率15w，载气流量为20l/min，喷雾热解温度为1400℃。实施例3：将氯化钪水溶液、氧氯化锆水溶液混合得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液雾化为细小液滴后，通过载气流动带入到高温反应炉中，液滴进入反应炉后，在较短的时间内依次经过了溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥、金属盐热分解及烧结成型等步骤，最后形成钪锆粉体。其中，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为2mol/l，钪离子摩尔数为钪离子和锆离子总摩尔数的13％。超声喷头功率10w，载气流量为10l/min，喷雾热解温度为400℃。实施例4：将氯化钪水溶液、氧氯化锆水溶液混合得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液雾化为细小液滴后，通过载气流动带入到高温反应炉中，液滴进入反应炉后，在较短的时间内依次经过了溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥、金属盐热分解及烧结成型等步骤，最后形成钪锆粉体。其中，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为1mol/l，钪离子摩尔数为钪离子和锆离子总摩尔数的11％。超声喷头功率25w，载气流量为25l/min，喷雾热解温度为900℃。实施例5：将硝酸钪水溶液、硝酸锆水溶液混合得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液雾化为细小液滴后，通过载气流动带入到高温反应炉中，液滴进入反应炉后，在较短的时间内依次经过了溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥、金属盐热分解及烧结成型等步骤，最后形成钪锆粉体。其中，钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.01mol/l，钪离子摩尔数为钪离子和锆离子总摩尔数的10％。超声喷头功率20w，载气流量为50l/min，喷雾热解温度为1000℃。将实施例1至5所制备的氧化钪稳定氧化锆粉体的团聚粒径采用激光粒度仪进行测试，氧化钪稳定氧化锆电解质陶瓷片(陶瓷片是由实施例1至5所制备的氧化钪稳定氧化锆粉体经流延成型后烧结制得)的电导率采用交流阻抗谱进行测试，测试结果见表1。表1组别团聚粒径d50(μm)800oc电导率(μs/cm)实施例10.12245实施例20.16241实施例30.22250实施例40.2243实施例50.18252本发明采用喷雾热解将原料液经雾化、溶剂蒸发、溶质沉淀、干燥、金属盐热分解及烧结成型等步骤一步迅速完成，很大程度上缩短了工艺流程，所得钪锆粉体粒子微细、组成均匀，粒子组成可控，且可连续生产。而且，本发明提供的钪锆粉体制备方法工艺简单、成本低廉、过程连续，并且避免了氨水等碱性液的使用，易于实现工业化生产。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12