具有特定表面性質(zhì)的稀土氧化物粉體及其制備方法研究

韋世強(qiáng)，張亮玖，周慧榮

（廣西國(guó)盛稀土新材料有限公司，廣西 崇左 532200）

隨著科技的不斷發(fā)展，稀土氧化物在電極、催化、熒光等各種材料中的使用引起了人們的高度重視，并進(jìn)行了全面應(yīng)用。在此其中，當(dāng)CeO2與非化學(xué)比CeO2-x在不一樣的氧分壓條件下進(jìn)行加熱的時(shí)候，他們會(huì)產(chǎn)生的可逆轉(zhuǎn)換。在這一環(huán)節(jié)中，Ce原子的亞晶格結(jié)構(gòu)依舊是以前的結(jié)構(gòu)。這一特性使它變?yōu)榱巳剂想姵刂凶盍己玫碾姌O材料。除此以外，氧化鈰還可用作催化劑的載體材料，在環(huán)境保護(hù)以及工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行使用。比如：氧化鈰好比汽車尾氣凈化三元催化劑內(nèi)的重要部分，與此同時(shí)，它還能對(duì)乙醇分解以及催化。同時(shí)，氧化鈰還能夠在玻璃門窗以及化妝品的紫外線吸收添加劑中進(jìn)行使用。

1 研究的內(nèi)容

開(kāi)展本次研究的主要目的是對(duì)特定表面性質(zhì)的稀土族元素氧化物粉體制備方式進(jìn)行研究和闡述。文章所講解的稀土族元素的氧化物粉體主要包含了表面是{100}和{110}的晶體表面的顆粒。具體的制備包含了以下幾個(gè)流程：

（1）把稀土放入能夠真空的加熱設(shè)備中，在完成抽真空以后在設(shè)備中加入氫氣與惰性氣體混合物。在此其中，氫氣含量通常不低于10%。假如缺少氫的作用，或者因?yàn)樘砑拥臍洳怀渥阍斐蓺涞男Ч幻黠@，那么稀土元素蒸氣因?yàn)樵谶^(guò)飽和狀態(tài)下迅速凝結(jié)，就不能得出本篇文章所供應(yīng)的{100}和{110}的晶面、擁有特定表面性質(zhì)的稀土氫化物粉末。但是，惰性氣體的關(guān)鍵作用是減少由于加熱設(shè)備氣密性泄漏引起的氫氣爆炸事故的毀壞力。在惰性氣體中主要包含了化學(xué)元素周期表中的全部惰性氣體，如：氬氣、氦氣、氡氣等等。

（2）在氫與惰性氣體的混合物中，向稀土中加入熱量引起蒸發(fā)，其反應(yīng)公式為：

稀土蒸汽從加熱區(qū)分離出來(lái)，成核并且凝結(jié)成粉末顆粒：

在此其中，UFPs表示為超微粉體。當(dāng)粉體冷卻時(shí)，它們開(kāi)始吸收氫形成稀土氫化物并釋放熱量：

釋放的熱量減緩了顆粒冷卻的速度，使它們有足夠的時(shí)間可以在冷卻的這一環(huán)節(jié)形成晶體，以此來(lái)得到表面特定晶面的形成，外表較為規(guī)則的稀土氫化物粉末：

因?yàn)橄⊥裂趸镆约把趸镞@兩者之間具有良好的晶格匹配聯(lián)系（都包含了面心立方結(jié)構(gòu)，并且晶格失配率不超過(guò)3%），所以，最終的氧化物有效保留了中間氫化物的粒子幾何結(jié)構(gòu)。其中，在稀土氧化物粉末中的幾何形狀伴隨使用稀土元素的不同與制備環(huán)節(jié)氫含量等技術(shù)參數(shù)的不同而不同。

此外，在步驟(5)中，氧化效果與氧含量、升溫的程度、氫化物粉末的顆粒大小有關(guān)。總的來(lái)說(shuō)，對(duì)本質(zhì)一樣的稀土元素來(lái)說(shuō)，氫化物粉末的粒徑如果越小，那么它的表面積也就越大，并且活性也就越來(lái)越高，在低氧或低溫條件下可以被氧化。氫化物粉體粒徑太大，比表面積小，反應(yīng)活性低，在高氧或高溫條件下才能被完全氧化。

本篇文章研究的作用主要是，將稀土金屬當(dāng)成主要的原材料，在具有氫氣氛的狀況下讓他蒸發(fā)，制備了氫化常規(guī)粉體并進(jìn)行了氧化，在此過(guò)程中都是干式反應(yīng)，不僅簡(jiǎn)單，并且需求的設(shè)備也極為簡(jiǎn)單，同時(shí)沒(méi)有污染，適合在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中使用。此外，與當(dāng)前廣泛使用的溶液合成法和固體粉碎法生產(chǎn)CeO2超細(xì)粉體相比較，這一方式制備的氧化物粉體表面都擁有對(duì){100}和{110}高催化活性的晶體顆粒，然而現(xiàn)如今所使用的制備技術(shù)制備而成的產(chǎn)品表明通常都是化學(xué)惰性的{111}面例如氧化鈰。早前就有研究表示，添加有晶體表面以及表面性質(zhì)的氧化鈰納米材料和其他材料進(jìn)行對(duì)比，前者擁有更好的催化效果。

2 研究方式

如圖所示，研究通過(guò)具體實(shí)施例更詳細(xì)地描述。

2.1 實(shí)施例1

制備表面為{100}和{110}的氧化鈰超細(xì)粉體的工藝流程如下：

（1）把稀土鈰置于真空等離子體加熱爐中，在30%H2/Ar和1atm的混合氣氛下，用直流電弧等離子體將鈰汽化凝聚成納米顆粒。因?yàn)殁嫾{米顆粒在吸收氫氣以后就會(huì)形成氫氧化物，以此來(lái)產(chǎn)生放熱反應(yīng)，導(dǎo)致冷卻速度不斷減慢。并生長(zhǎng)為方形的氫化鈰納米顆粒。

（2）在結(jié)束加熱以及抽真空以后，在冷卻完成以后往加熱爐中添加一些空氣。

（3）當(dāng)氫氧化鈰納米顆粒處于空氣中時(shí)，將會(huì)被氧氣氧化，以此來(lái)形成規(guī)則幾何形狀的方形氧化鈰納米粒子。

2.2 實(shí)施例2

氧化釤超微粉晶面為{100}和{110}的制備工藝如下：

（1）將稀土釤置于氧化鋁坩堝中，并且置于真空反應(yīng)室中，在50%H2/He氣氛和1atm混合氣下，利用水冷銅線圈進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱，讓它能夠在熱的條件下蒸發(fā)。

（2）釤蒸汽冷凝產(chǎn)生超微粉末顆粒。處于冷凝的時(shí)候由于吸收氫與生成氫化物的放熱反應(yīng)，導(dǎo)致冷卻的速度越來(lái)越慢，并逐漸凝聚成釤氫化物的方形超微粉末顆粒。

（3）在結(jié)束加熱與抽真空以后，直到系統(tǒng)冷卻和空氣排出。本品經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間貯存后，經(jīng)完全氧化得到方氧化釤超微粉。

2.3 實(shí)施例3

氧化鑭超微粉晶面{100}和{110}的實(shí)際制備工藝為以下幾方面：

（1）將稀土鑭置于氧化鋁坩堝中，置于真空管式爐中，在30%H2/Ne混合氣氛下，200 ml/min載氣流量下，-0.75atm力下將溫度提高到1000℃以上鑭蒸發(fā)。

（2）載氣把鑭蒸氣運(yùn)送到下游以后，逐漸形成了納米顆粒。鑭納米顆粒可以成長(zhǎng)為方形的氫化鑭納米顆粒，其中最為重要的原因是由于對(duì)氫的吸收逐漸形成了氫化物，其放熱反應(yīng)讓冷卻的速度不斷降低，從而凝聚成鑭氫化物納米顆粒。

（3）在下游采集的氫化鑭納米顆粒，經(jīng)氧熱處理以后獲得氧化鑭納米顆粒，并且獲得了方形的氧化鑭納米顆粒。

2.4 實(shí)施例4

氧化鐠超微粉體顆粒晶面{100}和{110}的制備工藝如下：

（1）把稀土鐠置于真空紅外加熱爐中，將50%H2/Ar和-0.6atm的混合物用紅外線照射使鐠受熱蒸發(fā)。

（2）鐠蒸氣冷凝形成的超細(xì)粉末顆粒。超細(xì)鐠粒子由于吸收氫和生成氫化物的放熱反應(yīng)，以此來(lái)降低冷卻的速度，以此來(lái)形成為方形的氫化物超細(xì)鐠粉體顆粒。

（3）在停止升溫與抽真空以后，冷卻完成后，充滿空氣至大氣壓。采集氧化鐠的超細(xì)粉體，在純氧氣氛中加熱氧化，以此來(lái)獲得方形的氧化鐠超微粉體顆粒。

3 結(jié)論

本次研究通過(guò)使用稀土金屬來(lái)充當(dāng)實(shí)驗(yàn)的原材料，在含有氫氣氛的狀況下讓稀土金屬進(jìn)行蒸發(fā)，以此來(lái)制備出添加氫以后的常規(guī)粉體，并對(duì)其進(jìn)行了氧化，對(duì)具有特定表面性質(zhì)的稀土氧化物粉體實(shí)行制備。并經(jīng)過(guò)以上這幾種不一樣的實(shí)驗(yàn)案例來(lái)進(jìn)行表明，本方法可制備出表面為催化活性較高的{100}和{110}的晶體表面的顆粒。