本發(fā)明涉及有色金屬粉體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種納米級高純度氧化鈰粉的生產(chǎn)方法。

背景技術(shù)：

氧化鈰(ceo2)，由于ce具有獨(dú)特的4f層電子結(jié)構(gòu)，氧化鈰屬于立方晶系，是面心立方結(jié)構(gòu)，具有螢石結(jié)構(gòu)。所屬點(diǎn)群為fm3m點(diǎn)群。從熱動力學(xué)方面講，其(111)面是最穩(wěn)定的。ceo2晶胞中的ce⁴⁺按面心立方陣排列，o2-占據(jù)所有的四面體位置，每個ce4+被8個o^2-包圍，而每個o^2-則與4個ce⁴⁺配位，如下圖所示。氧化鈰經(jīng)高溫(t>950℃)還原后，ceo2轉(zhuǎn)化為具有氧空位、非化學(xué)計(jì)量比的ceo2-x氧化物(0<x<0.5)^[6]，而在低溫下(t<450℃)ceo2可形成一系列組成各異的化合物。值得注意的是，即使從晶格上失去相當(dāng)數(shù)量的氧，形成大量氧空位之后，ceo2-x仍然能保持螢石型晶體結(jié)構(gòu)，這種亞穩(wěn)氧化物暴露于氧化環(huán)境時又易氧化為ceo2^[7]，因而ceo2具有優(yōu)越的儲存和釋放氧功能及氧化還原反應(yīng)能力。

氧化鈰為淡黃色粉末，熔點(diǎn)為2600℃，在常溫下比較穩(wěn)定，溶于硫酸；在硝酸中加過氧化氫也能溶解；溶于鹽酸時逸出氯；不溶于稀酸(稀硫酸除外)和水。ceo2的熱穩(wěn)定性較高，800℃時可保持晶型不變，在980℃時失去一部分氧原子。

用途：ceo2作為稀土家族中一種重要的化合物廣泛用于汽車尾氣凈化催化材料^[1]、高溫氧敏材料^[2]、固體氧化物燃料電池(sofc)電極材料^[3][4]、化學(xué)機(jī)械拋光(cmp)研磨材料^[5]等行業(yè)，對人類改善工作條件、提高生活質(zhì)量、保障身體健康,節(jié)約能源、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,并具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

目前國內(nèi)外對納米ceo2的制備尚處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段,制備納米ceo2方法歸納起來主要有:固相法、液相法和氣相法^[9]。

固相法一般是把金屬氧化物或其鹽按照配方充分混合,研磨后進(jìn)行煅燒,最終得到金屬及金屬氧化物的超細(xì)粒子。一般認(rèn)為固相反應(yīng)過程經(jīng)歷四個階段:反應(yīng)物擴(kuò)散-化學(xué)反應(yīng)-產(chǎn)物成核-晶體生長。當(dāng)成核速度大于生長速度時,有利于生成納米微粒；如果生長速度大于成核速度,則形成塊狀晶體。固相法所用設(shè)備簡單、操作方便，但所得粉體往往純度不夠，粒度分布也較大，適用于要求比較低的場合。

氣相法分為物理氣相法與化學(xué)氣相法。氣相法是指兩種或兩種以上的單質(zhì)或化合物在氣相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成納米級新化合物的方法。一般而言，氣相法所得粉體的純度較高、團(tuán)聚較少、燒結(jié)性能也較好，其缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴、產(chǎn)量較低、不易普及。

液相法主要是在液相體系中通過控制液相化學(xué)反應(yīng)的條件，如反應(yīng)物濃度、反應(yīng)溫度與時間、攪拌速度、水解速度、共沉淀等形成前驅(qū)體的方法。主要有沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法、電化學(xué)法等。液相法介于氣相法和固相法之間，與氣相法相比，液相法具有設(shè)備簡單、無需高真空等苛刻物理?xiàng)l件、易放大等優(yōu)點(diǎn)，同時又比固相法制備的粉體純凈、團(tuán)聚少，很容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是目前制備納米粒子最常用的方法。液相法主要有沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、微乳液法、電化學(xué)法等。

本方法生產(chǎn)氧化鈰粉體主要是利用噴霧熱解技術(shù)，方法是將配置的硝酸鈰溶液作為前驅(qū)體，在高壓泵的輸送下送入離心式機(jī)械噴嘴，形成射流進(jìn)入高溫氣氛中進(jìn)行噴霧熱解生產(chǎn)氧化鈰粉。

近年來雖然納米ceo2的制備得到了很大的發(fā)展,但在納米ceo2制備的多種方法中,所存在著一些普遍的問題,如:顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重,粒徑分布不均勻,單分散性差,性能不穩(wěn)定等,這些問題的存在影響了納米ceo2功能材料使用性能。因此如何做到顆粒尺寸和形狀可控,得到粒度分布均勻,單分散性好的納米ceo2,成為當(dāng)前納米ceo2制備研究中需重點(diǎn)探討的難點(diǎn)。此外綜合目前國內(nèi)外的報(bào)道來看,大多數(shù)基礎(chǔ)研究仍只停留在改進(jìn)合成工藝的層面上,且表征往往局限于最終的粉體,對納米ceo2的成核與生長這一中間過程還缺少動態(tài)、系統(tǒng)的觀測與分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有的噴霧熱解技術(shù)由于采用離心式機(jī)械射流噴嘴，對金屬溶液起不到粉碎、空化效應(yīng)，所以噴霧熱解產(chǎn)生的氧化鈰的細(xì)度在100納米以上，純度低，滿足不了高端制造業(yè)的需求。本發(fā)明提供了一種納米級高純度氧化鈰粉的生產(chǎn)方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的納米級高純度氧化鈰粉的生產(chǎn)方法的具體步驟如下：

(1)首先配制硝酸鈰前驅(qū)體溶液；

(2)將步驟(1)配制好的前驅(qū)體溶液加入到超聲霧化裝置中，利用超聲波的空化效應(yīng)，使得溶液霧化成煙霧氣態(tài)，形成微納米級溶液的霧滴；

(3)用風(fēng)機(jī)將步驟(2)產(chǎn)生的霧滴抽送到高溫氣氛中進(jìn)行噴霧熱解，產(chǎn)生高純、微納米級的氧化鈰粉末；

(4)利用粉體回收裝置將步驟(3)產(chǎn)生的氧化鈰粉回收，得到成品；

(5)利用吸收塔吸收硝酸氣體，得到硝酸溶液，用于步驟(1)配制硝酸鈰前驅(qū)體。

步驟(2)中，所述超聲霧化裝置底部設(shè)有配電及霧化發(fā)生器，利用直流電產(chǎn)生的高于20khz的振動頻率產(chǎn)生的超聲波，配電及霧化發(fā)生器上方設(shè)有霧化換能器，霧化換能器上方設(shè)有霧化換能液，配電及霧化發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波依次通過霧化換能器和霧化換能液傳遞給前驅(qū)體溶液。所述的霧化換能液的組成是去離子水。

步驟(2)中，所述的亞微米級溶液的粒徑為10—100nm。

超聲波有如下特性：

1)超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。

2)超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。

3)超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。

4)超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下顯著特征和有益效果：

本發(fā)明的納米級高純度氧化鈰粉的生產(chǎn)方法生產(chǎn)的氧化鈰純度高、顆粒分散性好、產(chǎn)品細(xì)度達(dá)到納米級的要求。使溶劑蒸發(fā)和金屬溶鹽熱解同時發(fā)生，工藝路線短，一步法生產(chǎn)氧化鈰。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中的超聲霧化裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

1配電及霧化發(fā)生器、2霧化換能液、3霧化室、4氧化鈰前驅(qū)體溶液、5霧化換能器。

圖2是本發(fā)明的納米級高純度氧化鈰粉的生產(chǎn)方法的工藝流程圖。

圖3是ceo2的晶體結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，有必要在此指出的是本實(shí)施例只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明所作的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整仍應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本發(fā)明的納米級高純度氧化鈰粉的生產(chǎn)方法的具體步驟如下：

(1)首先配制硝酸鈰前驅(qū)體溶液；

(2)將步驟(1)配制好的前驅(qū)體溶液加入到超聲霧化裝置中，利用超聲波的空化效應(yīng)，使得溶液霧化成煙霧氣態(tài)，形成納米級溶液的霧滴；

(3)用風(fēng)機(jī)將步驟(2)產(chǎn)生的霧滴抽送到高溫氣氛中進(jìn)行噴霧熱解，產(chǎn)生高純納米級的氧化鈰粉末；

(4)利用粉體回收裝置將步驟(3)產(chǎn)生的氧化鈰粉進(jìn)行回收，得到成品；

(5)利用吸收塔吸收硝酸氣體，得到硝酸溶液，用于步驟(1)配制硝酸鈰前驅(qū)體。

步驟(2)中，所述超聲霧化裝置底部設(shè)有配電及霧化發(fā)生器，利用直流電產(chǎn)生的高于20khz的振動頻率產(chǎn)生的超聲波，配電及霧化發(fā)生器上方設(shè)有霧化換能器，霧化換能器上方設(shè)有霧化換能液，配電及霧化發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波依次通過霧化換能器和霧化換能液傳遞給前驅(qū)體溶液。所述的霧化換能液的組成是去離子水(工業(yè)純水)。

步驟(2)中，所述的納米級溶液的粒徑為10—100nm。

實(shí)施例1生產(chǎn)的高純度氧化鈰的技術(shù)指標(biāo)分析如表1所示：

表1化學(xué)成分(％)

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。