[发明专利]溶胶－凝胶加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备稳定的或掺杂的凝胶及纳米颗粒的溶胶-凝胶加工方 法，并且还涉及通过所述方法制备的凝胶及纳米颗粒。

背景技术

过去几十年中，人们对由小于100纳米的颗粒而合成的纳米结构材料 的兴趣不断增长。在例如航空、钢材、化妆品、保健、汽车、生物工程、 光电子、计算机及电子的工业中的广泛应用刺激了这种兴趣。开发应用的 研究导致可以得到用于例如油漆、防腐剂、纳米复合材料、药物、生物医 疗植入体及军用部件的多层膜、多孔柱、薄膜、纳米结晶材料、纳米粉末 及纳米簇的技术。

已知具有纳米级晶粒尺寸的材料显示出与呈本体形式的相同材料不同 的性质。这些独特的性质与大量的表面或界面原子有关。纳米结构的材料 具有良好的耐火性、良好的耐化学品性、并在正常温度和高温下具有良好 的机械稳定性及硬度；它们尤其适于与不同氧化物的烧结和反应。还显示 出存在于这些材料中的大量表面原子影响了光、电及磁性质。

已经认识到用纳米粉末代替常规微米尺寸的氧化锆可以改善氧化锆的 机械、电、化学及催化性质。在合成常规的基于Zr的材料时，颗粒的中等 尺寸通常为10微米的范围，这通常相当于10¹⁵个原子。将直径为0.1-1微 米的颗粒认作是微细颗粒且其通常由10⁹-10¹⁰个原子组成。至少在一个方 向上尺寸为1-100纳米(nm)的纳米级颗粒尤其令人感兴趣。将由200-300个 原子组成的颗粒设计为簇且其表面原子可以多至颗粒中总原子数的 80-90％。

不需要昂贵设备来获得纳米颗粒的方法为溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶方法 以纳米颗粒的分子合成为基础，其中所述颗粒通过分子-分子间的加成而构 建。在纳米粉末的形成过程中，需要密切控制颗粒的成核和生长，这是由 于颗粒易于粘附并形成聚集体。

本发明者们的同时在审的申请描述了使用单糖和二糖作为溶胶-凝胶方 法的前体而制备凝胶和纳米颗粒的新型方法。

本发明涉及使用果胶及单糖和二糖作为溶胶-凝胶方法的前体来制备稳 定的凝胶和纳米颗粒。

也称为YSZ的钇稳定的氧化锆目前是最重要的陶瓷氧化物离子传导材 料。其用于氧气传感器的固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极和电解质中以 及氧气泵中。

用氧化钇、Y₂O₃掺杂的氧化锆ZrO₂具有两个重要的作用。一个是在降 至室温时使氧化锆的立方结晶结构稳定，以避免纯氧化锆在加热或冷却过 程中伴随的体积变化及可能的机械压力或失效的相转化。用钇掺杂的另一 个作用是由于四价锆离子由三价钇离子取代而在材料中形成了氧空穴以保 持电中性；两个Y³⁺离子相应于O^2-的阴离子空穴V_A。这些空穴对氧离子的 导电率起作用。

在固体氧化物燃料电池中，电池的内电阻限制了通过它的电流密度。 该电阻是由于电极处的慢反应动力学(“活化极化”)、通过电解质的离子流的 欧姆电阻(“欧姆极化”)以及在电极中反应物/产物气体到达/离开催化剂表面 的缓慢扩散(“浓度极化”)[1，2]。

降低由于有限的电解质离子导电率而致的欧姆极化的方式是使电解质 更薄。若电解质为5-30微米，则欧姆损耗比电极损耗小[3]。大量最近的研 究集中于电解质及其制备[4-9]。

使用YSZ纳米颗粒作为制备SOFC电解质和阳极的前体材料在几个方 面可以有利。

由纳米颗粒制备电解质使其更薄。此外，其可以改进电解质膜的质量， 使气密性更好且使微应力分布更加均匀。虽然某些分子动力学研究显示某 些晶粒界面可能起阻抗的作用[11]，但也发现更微细的晶粒结构导致晶粒界 面中的离子传率更高[10]。

使用纳米颗粒作为电解质的前体粉末的另一个优点为降低了烧结所需 的温度并降低了制备成本。

几篇文章[12，13]描述了用于SOFC组件的YSZ纳米颗粒的制备。

发明内容

本发明涉及使用无机金属盐和掺杂剂的溶胶-凝胶加工方法。

本发明还涉及由无机金属盐和掺杂剂制备纳米尺寸颗粒的方法。

本发明还涉及根据本发明方法制备的颗粒、溶胶和凝胶。