[发明专利]一种制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米二氧化铈颗粒的制备方法，特别是一种制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺。

背景技术

铈元素是元素周期表中第一个被研究者发现在4f轨道上具有基态电子([Xe] 4f15d16s2)的元素，这使得二氧化铈具备优异的氧化还原特性，因此二氧化铈被广泛用作于功能材料。另外，铈元素在地壳中具有较大的单位含量(66.5 ppm)，这使得二氧化铈具有较高的储存量，为其广泛应用提供了原料保障。

由于铈元素具有特殊的电子层结构，导致CeO₂晶格中容易形成氧空位从而形成非化学计量的二氧化铈(CeO_2-x，其中x为非化学计量数，0<x<0.5)，氧空位也是二氧化铈最主要的晶格缺陷之一；另外由于二氧化铈的强氧化特性，化学计量的二氧化铈(CeO₂)也容易形成非化学计量的二氧化铈。由于Ce⁴⁺-O^2-的电荷转移，纯化学计量的二氧化铈呈现淡黄色，二氧化铈可以形成具有一定还原度的非化学计量二氧化铈并保持其晶体结构，而非化学计量二氧化铈的颜色会变为蓝色甚至黑色。氧空位对二氧化铈的性能有重要的影响，氧空位能增强二氧化铈的储氧能力，氧空位及还原后形成的Ce³⁺在二氧化铈的氧化还原中起着重要作用；并且氧空位也有利于二氧化铈晶界的稳定。另外随着非化学计量二氧化铈的形成，二氧化铈的某些性能也在发生变化，如导电性能，其中二氧化铈的电子载流子浓度与非化学计量数成正比，即：[Ce’Ce] µ x。

在纯的二氧化铈体系中，氧空位浓度等于非化学计量数。

二氧化铈形成氧空位的反应的平衡常数为K=PO₂^1/2。二氧化铈300 ºC时的平衡压为10⁻⁴⁰ atm，在1023 ºC温度条件下，CeO_2-x只有在PO₂^1/2小于10^-20 atm时才能稳定。这表明在较低的温度条件下二氧化铈很难被还原，且除非通过高温及还原性气氛处理，非化学计量二氧化铈的稳定性非常差。这些都限制了非化学计量二氧化铈的应用，以及降低了氧空位对于二氧化铈性能的促进作用。

目前制备二氧化铈的工艺，主要有水热水解法、共沉淀法以及燃烧火焰法等，但这些方法制备的纳米二氧化铈均氧空位含量低，稳定性差。因此，要制备具有较好稳定性和较高氧空位含量的非化学计量二氧化铈，目前还未有相应的技术。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺。本发明制备的非化学计量纳米二氧化铈颗粒具有稳定性好，氧空位含量高的特点。

本发明的技术方案：一种制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺，包括如下步骤：

1）将三价铈的无机盐研磨至粒径小于20μm，并进行脱结晶水处理，得A品；

2）使用热等离子体发生器将激发气体激发为热等离子体焰，利用载气将A品运载至热等离子体反应器中，控制热等离子体发生器的功率为10-30kW，让A品在热等离子体焰中进行完全反应，得B品；

3）将B品随气流运送至收集器进行收集，得非化学计量纳米二氧化铈颗粒。

前述的制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺，所述三价铈的无机盐为碳酸铈、硝酸铈或氯化铈。

前述的制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺，所述脱结晶水处理是将研磨后的三价无机铈盐放入80-120℃的干燥箱中干燥脱水10-15小时。

前述的制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺，所述载气为氩气、氢气或氩气与氢气的混合气体，载气的气流速度为1-6L/min。

前述的制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺，所述的热等离子体焰，采用的热等离子体激发气体为氩气，氩气的气流速度为30-60L/min。

前述的制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺，所述非化学计量纳米二氧化铈颗粒为蓝色粉末状。

前述的制备稳定的非化学计量纳米二氧化铈颗粒的工艺，所述非化学计量纳米二氧化铈的粒径小于100 nm，氧空位浓度为15-30%。

本发明的有益效果