纳米稀土氧化物的制备和应用

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展望
我国是稀土资源大国，稀土纳米材料的开发利用，开 辟了稀土资源有效利用的新途径，扩展了稀土的应用范围， 促进了新功能材料的发展，对把资源优势变为经济优势有 重要的现实意义。
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长余辉发光材料
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稀土催化材料主要应用领域
➢ 汽车尾气净化 ➢ 工业废气、人居环境净化 ➢ 催化燃烧 ➢ 燃料电池
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稀土催化材料在汽车尾气净化领域 的应用
1.添加 La2O3 、Y2O3 、 CeO2能够改善催化 剂中高比表面涂层的热稳定性和机械强度 2.添加 CeO2能够稀土氧化物提高催化剂的储 氧能力和抗硫中毒性能 3.钙钛型稀土催化剂可提高催化剂的活性，部 分或完全取代贵金属
电解质隔膜材料: 钇稳定氧化锆YSZ 钪稳定氧
化锆 SSZ 钆（钐）掺杂的氧化铈GDC,SDC 镧锶镓镁LSGM
复合阳极的电解质材料
钇稳定氧化锆YSZ 掺杂的氧化铈GDC,SDC 钪稳定氧化锆SSZ
双极连接体材料 铬酸镧 LSCr等
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稀土催化材料在固体氧化物燃料电池的应用
阴极催化材料：锰酸锶(钙）镧LSM,LCM
钴酸锶镧LSC 铁酸锶镧LSF 钴酸钐锶SSC
电解质隔膜材料: 钇稳定氧化锆YSZ 钪稳定氧
化锆 SSZ 钆（钐）掺杂的氧化铈GDC,SDC 镧锶镓镁LSGM
复合阳极的电解质材料
钇稳定氧化锆YSZ 掺杂的氧化铈GDC,SDC 钪稳定氧化锆SSZ
双极连接体材料 铬酸镧 LSCr等
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稀土高性能陶瓷
4.
稀土纳米粒子的使用可大大提高了尾气 中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物
的转化率， 降低转化温度，从而减少催 化剂的用量
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稀土催化材料在工业废气、人居环境 净化领域的应用
烟气脱硫脱氮
铈铝酸镁尖晶石、钙钛矿型稀土复合氧化物、 萤石型稀土复（混）合氧化物
焦化废水
Ce2Cu 为活性组分(1∶3) ,γ2Al2O3/ TiO2 为复合载体制备的催化剂
Seminar Ⅰ
稀土纳米氧化物的制备及应用
学生：刘斌 指导教师：程谟杰 研究员
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什么是稀土？
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中东有石油，中国有稀土
➢ 我国是稀土大国 ➢ 稀土是我国的战略性资源 ➢ 稀土产业的发展是伴随着高科技的发展而
发展的
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稀土氧化物纳米化
纳米材料特性
稀土氧化物纳米化
稀土材料特性
1.小尺寸效应 2.表面效应 3.量子尺寸效应 4.量子隧道效应
➢ 稀土催化燃烧催化剂的优点 价格便宜、原料易得、耐高温性能好
➢ 目前主要研究的稀土催化燃烧催化剂： 稀土钙钛矿型氧化物、尖晶石型氧化物、 萤石型复氧化物、六铝酸盐、含稀土的烧 绿石氧化物等
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稀土催化材料在固体氧化物燃料电池的应用
阴极催化材料：锰酸锶(钙）镧LSM,LCM
钴酸锶镧LSC 铁酸锶镧LSF 钴酸钐锶SSC
稀土发光材料
光致发光（以紫外光或可见光激 发） 稀土节能荧光灯，发光涂料
阴极射线发光（以电子束激发） 电视机、示波器、雷达和计算机 等各类荧光屏和显示器
X射线发光（以X射线激发） 医用X射线照相用高灵敏度增感 屏
电致发光（以电场激发） 等离子显示屏
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三基色荧光粉
三基色荧光粉常用的稀土激活荧光体有： ➢ 红粉：铕（Eu3+）激活的氧化钇、有时用Bi3+
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稀土纳米氧化物的应用领域
➢ 稀土发光材料 ➢ 稀土催化材料 ➢ 稀土高性能陶瓷 ➢ 稀土磁性材料 ➢ 稀土超导材料 ➢ 稀土紫外线吸收剂 ➢ 稀土精密抛光
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稀土发光材料
发光原理
1、基质晶格吸收激发能 2、基质晶格将吸收的激发 能传递给激活离子 3、 被激活的离子发出荧光 而返回基态
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凝胶法
水解
有机络合物
聚合
蒸发
溶胶
凝胶
热处理
纳米 粒子
优点：所制得的粉体比表面积大、分散性好。反 应条件温和。 缺点： 反应时间较长。
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微乳液法
稀土盐 溶液
表面活性剂 沉淀剂、水
微乳液滴
离子交换
纳米粒子
特点：纳米粉体粒径分布窄、形态规则、分散性能好且大多为 球形。通过控制微乳液的液滴中水体积及各种反应物浓度来控 制成核、生长, 以获得各种粒径的单分散纳米粒子。
共掺杂 ➢ 蓝粉：铕（Eu2+）激活的硅酸盐基质
铕（Eu2+）激活的铝酸盐基质 铕（Eu2+）激活的氯磷酸盐基质 铕（Eu2+）激活的钡镁铝酸盐 ➢ 绿粉：铽（Tb3+）、铋（Bi3+）和铈（Ce3+） 激活的镁铝酸盐 铽（Tb3+）和钆（Gd3+）激活的镁钡铝酸盐
使用纳米化的稀土材料将大大提高发光效率、降低 稀土用量
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稀土盐 溶液
沉淀法
1.草酸沉淀 2.碳酸沉淀 3.氢氧化物沉淀 4.均相沉淀 5.络合沉淀
干燥、焙烧
稀土纳 米粒子
特点：溶液成核快，易控制，设备简单，可 制得高纯度样品。但难过滤，易团聚
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水热法
在高温高压下，加快和强化粒子的水解 反应，并最终形成纳米晶核
特点：该方法可制得分散均匀、粒度分布狭窄的纳米粉。 但要求高温高压设备，设备昂贵，操作不太安全
高效双组分催化剂（贵金属与稀土元素）
光催化空气净化
稀土掺杂的TiO2 稀土复合氧化物（钙钛矿、铌酸盐类复
合
通过纳米水平的设氧计化物, 开、钽发酸出盐类先复进合的氧化稀物土）催化材料,
可以在降低90% 贵金属用量的情况下仍能保证催化
净化效率提高1 倍。
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稀土催化材料在催化燃烧领域的应用
➢ 催化燃烧对催化剂的基本要求是具有良好 的低温活性和高温热稳定性。
➢ 纳米陶瓷特点：
超型性，高的断裂韧性，能降低烧结 温度和提高烧结速度。
➢ 纳米Y2O3-ZrO2陶瓷具有很高的强度和韧性。 广泛用于刀具、耐磨器件、陶瓷发动机、 固体氧化物燃料电池电解质
➢ 纳米Nd2O3、Sm2O3用于多层电容、微波器 件等
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稀土纳米氧化物的应用领域
➢ 稀土发光材料 ➢ 稀土催化材料 ➢ 稀土高性能陶瓷 ➢ 稀土磁性材料 ➢ 稀土超导材料 ➢ 稀土紫外线吸收剂 ➢ 稀土精密抛光
1.特殊的4f 电子层结构 2.电子能级丰富 3.未成对电子多 4.容易失去电子形成多 种价态化合物
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稀土纳米氧化物的制备技术
1.固相法 2.沉淀法 3.水热法 4.凝胶法 5.微乳液法
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固相法
硝酸稀土 草酸
固相混合球磨 稀土草酸 高温分解 盐中间体
氧化物纳 米粒子
优点：反应效率高，设备简单，操作容易 缺点：所制的 粉体形态不规则，均匀性差