低氯根球狀碳酸鈰顆粒制備工藝研究

周武風，戴裕龍，鐘楊根，游奇峰，蔡建安，劉建峰

（江西金世紀新材料股份有限公司，江西省稀土材料工程技術研究中心，江西南昌 330013）

稀土元素廣泛應用于航天航空、國防軍工領域。鈰是稀土礦中含量最多的元素，其應用領域非常廣泛，幾乎所有的稀土應用領域中都含有鈰，而稀土粒子的形貌、尺寸、結構、分散性、表面性能等物化性能決定材料性能。隨著科技的發展，人們對特殊性能新材料的追求日益迫切，具有特殊形貌和大小的無機材料的可控合成是發展新材料的一個重要方法[1]。有研究發現，在結晶體系中加入一定的形貌控制劑，如添加有機小分子、聚合物（生物高分子材料、雙親嵌段共聚物、樹枝狀聚合物及簡單的聚合物電解質）[2]，可以制備出不同形貌的超細粉體。往往添加聚合物會引入雜質離子，影響著合成材料的性能，本文通過化學轉型、物理干燥法制備低氯根球狀碳酸鈰晶體顆粒。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

試劑：普通Ce2(CO3)3，公司自產；NH4HCO3，工業級；硝酸，工業級；二次蒸餾水，自制。

儀器：JSM-6510JSM-6510型掃描電子顯微鏡、UV-1800紫外可見分光光度計、JJ-1A電動攪拌器、PHSJ-4A型實驗室pH計、SHB-3型循環水式真空泵、QFN-8000N型噴霧干燥機、DHG9000系列鼓風干燥箱。

1.2 樣品制備

稱取一定量普通Ce2(CO3)3固體加入2 L燒杯中，另加入一定體積硝酸，調pH至2，加入蒸餾水，制備一定濃度硝酸鈰溶液。將碳酸氫氨固體配成一定濃度溶液，緩慢加入硝酸鈰溶液中，反應過程中控制溶液溫度至55 ℃，調pH至7，真空泵過濾，用90 ℃熱水淋洗10 min，抽干。將得到的沉淀物分別在鼓風干燥箱和噴霧干燥機中干燥，得到兩種碳酸鈰樣品。

1.3 分析方法

采用掃描電子顯微鏡觀察碳酸鈰表面形貌，在SEM樣品臺上貼上一層導電膠，將碳酸鈰粉體撒于導電膠上，用吸耳球輕輕吹去多余的粉末，然后低真空通過掃描電鏡觀察；采用紫外可見分光光度計分析樣品氯根含量。

2 結果與分析

2.1 樣品氯根分析

如表1，通過測試分析新制備的3批次碳酸鈰，其氯根含量與普通碳酸鈰相比均大幅度降低，證明經硝酸轉型、碳酸氫銨沉淀可制備低氯根碳酸鈰[3]。

表1 樣品氯根分析結果（單位：%）

2.2 SEM分析

鼓風干燥碳酸鈰樣品的SEM照片如圖1所示，噴霧干燥碳酸鈰樣品的SEM照片如圖2所示。由圖1可見，在鼓風干燥條件下，反應生成的碳酸鈰樣品為不定形片狀結構。由圖2可見，經噴霧干燥后，得到的碳酸鈰樣品呈球狀。這說明烘干方式對碳酸鈰的形貌起到了影響。

圖1 鼓風干燥碳酸鈰樣品的SEM照片

2.2.1 硝酸鈰濃度的影響

圖3為在碳酸氫銨母液質量分數1%時，經噴霧干燥，不同硝酸鈰濃度制備的Ce2（CO3）3晶體的SEM照片。由圖3a可見，c[Ce(NO3)3]=0.03 mol/L時，生成的碳酸鈰為不規則形狀。由圖3b可見，當c[Ce(NO3)3]=0.06 mol/L時，碳酸鈰樣品中為不規則形狀。由圖3c可見，當c[Ce(NO3)3]=0.09 mol/L時，顆粒形貌開始轉變。由圖3d可見，當c[Ce(NO3)3]=0.12 mol/L時，碳酸鈰樣品全為球狀形貌。

圖2 噴霧干燥碳酸鈰樣品的SEM照片

圖3 不同硝酸鈰濃度制備的Ce2(CO3)3晶體的SEM照片

2.2.2 機理探討

反應條件、干燥方式等因素對樣品顆粒形貌起著重大影響。因鼓風干燥過程樣品不是流動的，產生團聚、不分散現象，顆粒基本為片狀。而利用噴霧干燥制備的粉體具有成功率高、顆粒流動性好、球狀等優點[4]；其機理是：當樣品被輸送到旋轉盤后，因離心力作用，使樣品在旋轉盤表面形成薄層并快速向邊緣運動，離開邊緣時樣品已霧化。霧化的樣品與熱空氣接觸，水分蒸發，最終得到干燥的粉體。在干燥過程中，樣品的固相含量、黏度等均會對樣品的形貌以及粒度分布造成影響，故通過調控樣品制備反應條件，就可以獲得一定形貌的顆粒。

3 結論

經硝酸轉型和碳酸氫銨沉淀，采用噴霧干燥法，成功制備了低氯根球狀碳酸鈰粒子。與添加聚合物制備法相比，操作簡單，反應條件更易控制，可以實現工業化生產。