二氧化铈纳米材料的合成及性能研究

二氧化铈纳米材料的合成及性能研究

内容摘要

国内外早已开始了对纳米氧化铈颗粒制备技术与性能的研究。氧化铈具有立方萤石结构。它有热稳定性高,氧气储存能力强和可以在Ce3+和Ce4+氧化状态之间简单的转换的特性，因此它吸引了研究者广泛的兴趣。它已广泛应用于催化剂、紫外吸收材料,氧敏感材料、固体氧化物电池材料和抛光材料等领域。氧化铈在合成氧化CO的催化剂上展现的性能尤为突出。液相制备方法是纳米氧化铈众多制备方法的一种，它因为制作工艺相对简单的优点在所有制备方法中脱颖而出。液相制备法很适合大规模生产,它在研究方向上的前途也可预测。本文将对上文做详细描述。

Abstract

Preparation technology and research progress of CeO₂ nanoparticles researched both at home and abroad.Cerium oxide has cubic fluorite structure. It has attracted extensive interest due to its high thermal stability,oxygen storage capacities, and easy conversion between Ce3+ and Ce4+ oxidation states。It has been widely used in catalyst，ultraviolet absorption material，the oxygen sensitive material，solid oxide cell material and polishing material and so on．Especially, CeO₂ have been successfully synthesized and used for CO catalytic oxidation.Kinds of preparation methods of liquid phase and their differences are especially emphasized according to the advantages of liquid phase method, which can be easily enlarged in industry, and futrue directions of research are also predicted. CeO2 have been successfully synthesized and used for CO catalytic oxidation.We will give more details about what describes below.

Key: CeO₂liquid phase method CO catalytic oxidation

一、实验背景

CeO₂属于立方晶系萤石（CaF₂）结构，晶胞中的Ce3+按面心立方点阵排列，O2-占据所有的四面体位置，每个Ce4+被8个O2-包围，而每个O2-则与4个Ce4+配位，这样的结构中有许多八面体空隙，允许离子快速扩散。Ce有Ce4+和Ce3+两种氧化态，容易发生氧化还原循环，有较强的储氧功能。[1]

由于具有较大的比表面积, CeO₂纳米颗粒具有很大的应用潜力, 近年来人们对于这种形貌的纳米CeO₂研究得最多, 方法也各具特色。其制备方法主要有水热法、溶剂热法、溶胶-凝胶法、反胶束法、声化学法以及微乳液法等。[2]

化学沉淀法

沉淀法是高纯度纳米金属氧化物材料合成的最普通的化学反应方法。沉淀法就是用各种溶解在水中的沉淀剂与金属盐反应生成不溶性氢氧化物、碳酸盐、乙酸盐和硫酸盐等，后将沉淀物过滤、干燥、煅烧，从而得到目标纳米粒子。沉淀法主要分为: 直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法等。化学沉淀法具有反应过程易控制，工艺以及设备简单，成核速度快，产品成本低廉，在工业生产中拥有广阔的应用前景，但沉淀法在制备颗粒过程中容易出现团聚的现象，而且过滤和洗涤的过程也比较困难，同时也容易造成产品流失。[3]

一、实验

（一）试剂与分析仪器

试剂：Ce(NO

3)

3，

（A.R）40%的醇水混合溶液（A.R）

HMT（六亚甲基四胺）（A.R）

合成仪器：分析天平、恒温加热磁力搅拌器、高频超声波分散器、干燥箱、高速台式离心机。

分析设备：为X射线衍射仪（XRD）、场发射电镜（FE-SEM）和透射电镜（TEM）。

(二) 实验方法

1.纳米CeO₂的制备：在两个洗净的烧杯中，向一个烧杯中加入一定量的

Ce(NO

3)

3，

溶解于35ml蒸馏水与乙醇1:1的混合体系中,向另外一个烧杯中加入一

定量的HMT和35ml蒸馏水与乙醇1:1的混合溶液，同时加热到一定温度后进行混合，在相应温度下反应一定时间后将所得产物进行回收，经数次超声分散清洗、离心后干燥即得试样。

2. 试样表征

采用XRD、SEM和TEM分析对试样物相结构、表面形貌和颗粒大小及分布情况表征。

二．结果与分析

反应时间及陈化对产物的影响

图一为60℃下不同反应时间为1h,2h,24h以及有无陈化24h的XRD图，其主要组成为CeO2但还含一些尚不明确相，且衍射峰的强度差异不大，由此可知室温下混合时间的长短不会对产物有较大的影响。从图中可以看出有了着陈化作用使结晶性提高，随着反应时间延长结晶性提高。

图一：不同陈化时间下的产物XRD图

A 60℃反应1h，陈化24h

B 60℃反应2h

C 60℃反应2h，陈化24h

D 60℃陈化24h

反应温度及时间对产物的影响

图二为60℃与74℃在反应时间不同的XRD图，从图中可以看出随着反应温度上升（60℃到74℃）结晶性上升；从74℃反应2h的结晶性好于60℃反应24h可以看出反应温度的影响大于反应时间的影响

图二：不同反应温度及时间对产物的影响