一种Gd2O2S粉体及其制备方法和应用

发明属于无机粉体的制备领域，涉及一种gd2o2s粉体及其制备方法和应用，具体涉及一种制备gd2o2s粉体的硫化法。

背景技术：

1、稀土硫氧化物是一种性能和应用前景都十分广泛的功能材料之一。它们具有特殊电子结构，可以选择y、la、gd和lu等稀土元素作为ln2o2s主晶格材料，用其它的镧系元素或过渡族元素对主晶格材料进行掺杂。当以钆为主晶格材料时，其综合性能良好。gd2o2s具有六方晶体结构，宽的禁带(4.6-4.8ev)，高密度(7.34g·cm-3)，表现出良好的化学稳定性、高的x射线转换效率、短的衰减时间和无毒性，因此广泛应用于各个方面：包含医疗诊断成像(如x-ct、pet)、高能物理辐射探测器、工业辐射监测、安全检查和生物医学等诸多领域。

2、目前，gd2o2s粉体的合成方法有高温固相法、溶剂热法、还原法、燃烧法、乳状液膜法和硫化法等。高温固相法通常是在非常苛刻的实验条件下进行的固态反应，适用于批量合成，但制备出的gd2o2s粉体的形貌和尺寸不可控。溶剂热法合成的产物纯净，但产量低，均匀性差。还原法合成gd2o2s粉体需要使用易燃易爆的氢气，安全性差，燃烧法合成的gd2o2s粉体形貌不规则，乳状液膜法合成gd2o2s粉体过程复杂，硫化法采用硫化氢、二硫化碳等硫化剂对前驱体或煅烧产物进行硫化，存在硫化剂毒性大、成本高且不易购买、安全性差和对环境不友好等诸多不足之处。

3、石油焦是指的是原油经蒸馏将轻质油分离，重质油再经热裂转化而成的产品。石油焦根据硫的质量分数的不同可分为低硫焦(s≤1.5％)、中硫焦(1.5％＜s＜3.0％)和高硫焦(s≥3.0％)。近年来，我国石油焦需求量不断增大，导致市面上优质低硫石油焦供不应求，而高硫石油焦过剩，价格低，越来越多的企业采用高硫石油焦来生产预焙阳极，其在高温煅烧过程中会排放有害的含硫气体，直接对大气造成严重污染并对人体的健康造成一定的危害。如果将含硫的烟气变废为宝，充分发挥其特有的硫化作用来制备稀土硫氧化物，不仅能合成产物纯度高、形貌可控，而且还能减少能源消耗，降低生产成本，减少大气污染。因此，开展对高硫石油焦煅烧产生的废气的综合利用势在必行。

技术实现思路

1、本发明提供了一种利用高硫石油焦煅烧过程中产生的废气制备gd2o2s粉体的工艺方法。本发明以gd(no3)3·6h2o、尿素为原料，首先采用均相沉淀法合成gd2o3粉体，然后通过在氩气或氮气气氛下煅烧高硫石油焦产生的废气来硫化gd2o3制备了gd2o2s粉体。高硫石油焦用作硫源，不仅克服了传统硫化剂硫化氢、二硫化碳和升华硫硫化存在的毒性大、安全性差和成本高的问题，而且采用煅烧高石油焦产生的废气直接作为硫源，降低了对大气环境的污染，具有成本低廉、环境友好等优点。

2、本发明提供一种gd2o2s粉体的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)分别配制尿素溶液和含钆离子溶液，在一定温度下将尿素溶液以一定的流速滴定到含钆离子溶液中，获得前驱体；

4、(2)将步骤(1)得到前驱体经洗涤、干燥和煅烧获得gd2o3粉体；

5、(3)将高硫石油焦和步骤(2)得到的gd2o3粉体置于电阻炉中，通入惰性气体，进行硫化反应，得到gd2o2s粉体；所述硫化反应温度为900～1250℃。

6、进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)中，所述含钆离子溶液为gd(no3)3；；所述gd(no3)3溶液为gd(no3)3·6h2o溶解于去离子水中；所述含钆离子溶液的摩尔浓度为小于等于0.01mol/l；所述尿素与钆离子的摩尔比为20～100。

7、进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)中，所述尿素溶液和含钆离子溶液等体积。

8、进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)中，所述反应温度为80～95℃。

9、进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)中，所述将尿素溶液滴定到gd(no3)3溶液中采用蠕动泵进行滴定，所述尿素溶液的滴定速度为5～50ml/min。

10、进一步地，在上述技术方案中，步骤(2)中，所述洗涤溶剂为去离子水和无水乙醇，所述洗涤为依次采用去离子水和无水乙醇进行；所述煅烧温度为600～1000℃，煅烧时间为0.5～2h。

11、进一步地，在上述技术方案中，步骤(3)中，所述电阻炉为真空电阻炉，所述真空度为-0.1～-0.05mpa；所述惰性气体为氩气或氮气。

12、进一步地，在上述技术方案中，步骤(3)中，硫化反应时间为0.5～2h。

13、采用上述制备方法得到的gd2o2s粉体，所述粉体的形状为球形、近球形或类球形；所述gd2o2s粉体颗粒直径为50-100nm；所述gd2o2s粉体为单相六方晶体结构。

14、本发明又提供一种gd2o2s粉体的应用，所述gd2o2s粉体应用在x-ct、x射线增感屏、正电子发射断层成像、高能物理和工业探测等领域。

15、本发明的目的在于提供一种利用高硫石油焦硫化法制备gd2o2s粉体的工艺方案。首先通过钆源gd(no3)3，并固定尿素和钆离子的摩尔比，调整钆离子的摩尔浓度(0.01，0.05和0.1mol/l)和尿素溶液的滴定速度合成了不同形貌和尺寸的前驱体，进而在马弗炉中800℃煅烧2小时，得到不同形貌的gd2o3粉体。然后以高硫石油焦为硫源，在不同温度下煅烧的废气对上述gd2o3粉体进行2小时硫化，通过分析制备中gd2o2s粉体的物相、尺寸和形貌变化规律，制定最优合成工艺方案。

16、本发明提供了一种gd2o2s粉体的制备中最优工艺的主要特征在于：选择0.01mol/l的gd(no3)3作为钆源，尿素：钆离子的摩尔比为50，尿素溶液的滴定速度为50ml/min。高硫石油焦的硫化工艺为：硫化温度1000℃，硫化时间2小时，获得的gd2o2s粉体纯度最高，形貌为近球形和近球形。

17、本发明提供的最优gd2o2s粉体的制备方法，得到gd2o2s粉体。其前驱体、煅烧产物和硫化产物尺寸小，颗粒直径在50-100nm，粉体为球形和近球形，且所合成的gd2o2s粉体是单相。该gd2o2s粉体可以应用在x-ct、x射线增感屏、正电子发射断层成像(pet)、高能物理和工业探测等领域。

18、本发明有益效果

19、本发明以gd(no3)3·6h2o、尿素为原料，首先采用均相沉淀法合成gd2o3粉体，然后通过在氩气或氮气气氛下煅烧高硫石油焦产生的废气来硫化gd2o3制备了gd2o2s粉体。高硫石油焦用作硫源，不仅克服了传统硫化剂硫化氢、二硫化碳和升华硫硫化存在的毒性大、安全性差和成本高的问题，而且采用煅烧高石油焦产生的废气直接作为硫源，降低了对大气环境的污染，具有成本低廉、环境友好等优点。

技术特征：

1.一种gd2o2s粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的gd2o2s粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含钆离子溶液为gd(no3)3；所述含钆离子溶液的摩尔浓度为小于等于0.01mol/l；所述尿素与钆离子的摩尔比为20～100。

3.根据权利要求1所述的gd2o2s粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述尿素溶液和含钆离子溶液等体积。

4.根据权利要求1所述的gd2o2s粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述反应温度为80～95℃。

5.根据权利要求1所述的gd2o2s粉体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述将尿素溶液滴定到gd(no3)3溶液中采用蠕动泵进行滴定，所述尿素溶液的滴定速度为5～50ml/min。

6.根据权利要求1所述的gd2o2s粉体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述洗涤溶剂为去离子水和无水乙醇；所述煅烧温度为600～1000℃，煅烧时间为0.5～2h。

7.根据权利要求1所述的gd2o2s粉体的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述电阻炉为真空电阻炉，所述真空度为-0.1～-0.05mpa；所述惰性气体为氩气或氮气。

8.根据权利要求1所述的gd2o2s粉体的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，硫化反应时间为0.5～2h。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的制备方法得到的gd2o2s粉体，其特征在于，所述gd2o2s粉体的形状为球形、近球形或类球形；所述gd2o2s粉体颗粒直径为50-100nm；所述gd2o2s粉体为单相的六方晶体结构。

10.一种如权利要求1～8任一项所述的制备方法得到的gd2o2s粉体在x-ct、x射线增感屏、正电子发射断层成像、高能物理和工业探测中应用。

技术总结
本发明公开了一种利用高硫焦硫化法制备Gd2O2S粉体，属于无机粉体的制备领域。本发明以Gd(NO3)3·6H2O、尿素为原料，煅烧获得Gd2O3粉体。在惰性气体保护下，使用高硫石油焦(硫的质量分数≥3.0％)为硫化剂，将煅烧高硫石油焦产生的废气，直接作为硫源，可制备高纯单相的Gd2O2S粉体。由此制备的样品呈球形和近球形，且粒径尺寸小，平均直径在50～100nm之间。该方法制备Gd2O2S粉体具有设备简单(仅需要一台真空箱式电阻炉)，工艺简单，耗能低，制备条件温和，成本低、环境友好等优点。该方法的提出很好的解决了高硫石油焦煅烧时高温排放废气对大气的污染问题，符合绿色合成的生产理念。该Gd2O2S粉体可以应用在X‑CT、X射线增感屏、正电子发射断层成像(PET)、高能物理和工业探测等领域。

技术研发人员：连景宝,曲慧琳,朴虹谚,张欣,李鑫
受保护的技术使用者：辽宁石油化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12