[发明专利]一种超声辅助制备镍铈固溶体材料的方法

说明书

本发明属于固体材料制备技术领域，具体为一种超声辅助制备镍铈固溶体材料的方法。本发明利用溶剂热的处理方式，将金属镍盐及金属铈盐、有机酸以及有机高分子结构导向剂利用超声辅助下进行充分相互作用，并通过自组装作用，形成具有晶相均一的花状或球状镍铈固溶体。本发明制备的镍铈固溶体材料使用较低的镍含量，具有比表面积高、金属镍原子分散度高、晶体颗粒尺度小且晶相均一等特点，同时具有优良的氧化还原性能和储放氧性能，储氧量达到400–600μmol O/g，在环境催化、固体燃料电池、传感器等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于固体材料制备技术领域，具体涉及一种制备镍铈固溶体材料的方法。

背景技术

氧化铈作为一种典型的稀土氧化物，其萤石晶体结构中同时存在+3价和+4价铈离子，使其具有优异的氧化还原性能以及储放氧性能，因此以氧化铈为基础的铈基复合金属材料被广泛应用于环境催化和能源催化领域，如汽车尾气催化氧化，挥发性有机物（VOCs）催化氧化，水蒸气重整等。其中，将金属离子掺杂到氧化铈晶格中形成的铈基固溶体材料因具有更高的氧空位含量、更快的离子迁移速率和更高的催化反应活性而受到广泛关注。

研究发现，铈基固溶体材料的性能主要受晶粒大小、晶相组成以及掺杂金属离子种类等因素影响。目前，制备铈基固溶体材料的方法主要有：共沉淀法、溶胶–凝胶法、化学燃烧法、微乳液法和水热晶化法等。共沉淀法因工艺简单，容易操作而被广泛应用于工业生产中，但其制备的铈基固溶体材料晶粒较大，晶相分布不均匀，导致催化活性较低。利用化学燃烧法、微乳液法等方法制备出的固溶体晶粒可以达到几个纳米大小，其比表面积和空穴相对含量明显增多，具有较好的催化性能。例如，李灿（李灿，Appl. Catal. A: Gen.,2003，246，1）利用柠檬酸燃烧法制备了纳米镍铈固溶体材料，并且发现当镍铈比为3 : 7时，催化剂具有最佳的氧化还原性能。Laguna等（Laguna，Appl. Catal. B: Environ.,2011, 106, 621）利用微乳液法制备了纳米铁铈固溶体材料，其铁含量可高达50at.%，并指出当铁含量为10at.%时催化剂的氧空位浓度达到最高同时具有最高的氧化还原效率。

纳米铈基固溶体材料的制备在很大程度上改善了氧化铈基催化剂的性能，但是上述几种方法在制备过程中容易出现晶相分布不均匀，导致掺杂效率较低，同时影响催化剂的整体性能。因此，开发一种制备晶相均一的纳米铈基固溶体材料的方法对进一步优化铈基催化剂材料性能具有非常重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术所存在的问题，本发明提供一种晶相均一的高性能镍铈固溶体的制备方法，本发明提供的高性能镍铈固溶体的制备方法，首次采用有机高分子作为结构导向剂和超声辅助技术，利用高温老化过程制备镍铈固溶体材料；其中，通过调节金属盐的比例、溶液的温度、超声处理的时间、模板剂的种类及水热处理的温度及时间，使制备得到的镍铈固溶体材料纳米颗粒堆积组成，呈花状或球状等，形貌均一且结构均匀，并具有大比表面积和高储放氧量等特点，储氧量达到400–600μmol O/g，在环境催化、固体燃料电池、传感器等领域具有良好的应用前景。

本发明提供的超声辅助制备镍铈固溶体材料的方法，具体步骤为：

（1）将无机铈源与无机镍源按一定比例溶于有机溶剂二甲基亚砜中，并加入一定量有机酸，搅拌至混合均匀；其中，铈镍摩尔比为99:1–4:1，优先铈镍摩尔比为50:1–4:1；

（2）再加入一定量的有机高分子作为结构导向剂，并进行超声处理，使溶液混合均匀，之后加入一定量的稀氨水，并进行充分搅拌；

（3）将步骤（2)中所得溶液转入水热釜中进行高温处理，之后经过过滤、洗涤、干燥、焙烧、酸洗处理，即制得镍铈固溶体材料。