[发明专利]一种掺钇二氧化锆介观晶体及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种掺钇二氧化锆介观晶体及其制备方法，属于金属氧化物功能材料的制备领域。本发明将硝酸钇、氧氯化锆和尿素按比例溶解于水中形成混合溶液，经150℃水热反应24 h，制得所述掺钇二氧化锆介观晶体。本发明制备方法简便易行，成本低，介观晶体产率高；所制得的掺钇二氧化锆介观晶体具有良好的单分散性，呈橄榄状，内部多孔，比表面积高达150~161m²/g，是一种优良的水煤气变换催化剂载体。

技术领域

本发明属于金属氧化物功能材料的制备领域，具体涉及一种掺钇二氧化锆介观晶体及其制备方法和应用。

背景技术

介观晶体（简称介晶）是指纳米晶基元按照特定晶体取向有序堆积而成的纳米晶超结构或有序聚集体，是由纳米晶粒通过自组装形成一个较大的微纳晶体。宏观上，微纳晶体因纳米晶粒的有序外延排列而呈单晶形态；微观上，微纳晶体内部纳米晶粒之间存在清晰可见的界面或空隙。介晶材料由于其特殊的结构使其在工业上具有重要的应用价值，成为单晶和多晶材料的有力竞争者。目前，有关功能性氧化物介晶材料的可控制备和性能研究仍是一个颇具挑战性的研究课题。

二氧化锆（ZrO₂）是一种十分重要的结构和功能材料，它不但具有良好的热稳定性、而且同时具有表面酸性、碱性和氧化性、还原性，还富含表面羟基，这些性能使二氧化锆成为一种很重要的催化剂材料。由于Y³⁺与Zr⁴⁺具有相似的离子半径，Y³⁺很容易置换ZrO₂中的Zr⁴⁺形成置换固溶体，同时在其表面和内部形成氧空位，因而Y元素常被作为助剂来调变ZrO₂或含锆催化剂的结构性能。然而，目前尚未有钇掺杂的ZrO₂介观晶体及其制备技术和应用的公开报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种掺钇二氧化锆介观晶体及其制备方法和应用，其制备方法简便易行，适合规模化生产，制得的掺钇二氧化锆介观晶体产品单分散性好，比表面积高达150～161m²/g，内部具有丰富孔道，是一种优良的催化剂材料，特别适合用作水煤气变换催化剂载体。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种掺钇二氧化锆介观晶体的制备方法，其包括以下步骤：

（1）将硝酸钇、氧氯化锆和尿素溶解于去离子水中，室温下搅拌后制得混合溶液；

（2）将步骤（1）所得混合溶液转入高温反应釜中，控制反应温度为150 ℃，反应时间为24 h；所得反应产物经离心分离、洗涤、干燥后得到掺钇二氧化锆介观晶体。

步骤（1）混合溶液中硝酸钇与氧氯化锆的物质的量浓度之和为0.75 mol/L；尿素的物质的量浓度为1.5 mol/L；硝酸钇的物质的量占硝酸钇与氧氯化锆总物质的量的2%～10%。

所得掺钇二氧化锆介观晶体为单斜晶相，形貌为橄榄状，长度为50～150 nm，直径为20～80 nm；比表面积为150～161 m²/g，内部多孔，最可几孔径为2 nm。

所得掺钇二氧化锆介观晶体可用作载体制备水煤气变换催化剂，其制备方法为：在超声波破碎辅助条件下，将所述掺钇二氧化锆介观晶体分散于硝酸铜水溶液中，然后向上述溶液中滴加碱液至溶液pH=9.0，所得沉淀经离心洗涤、干燥、焙烧后制得水煤气变换催化剂；所用碱液为碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液。

本发明制备过程中硝酸钇及氧氯化锆与尿素在水热条件下均匀反应，反应遵循“原位结晶”机制，即经均匀沉淀生成的氢氧化物前驱物经过脱去羟基（或脱水），原子原位重排而转变为结晶态掺钇二氧化锆，析出掺钇二氧化锆一次纳米晶粒，一次晶粒在反应体系固有场（纳米晶固有偶极矩）下实现晶体学取向聚集，形成掺杂钇的二氧化锆介观晶体超结构。

本发明的显著优点在于：