以白云鄂博稀土尾矿为原料制备稀土基掺杂型复合氧化物催化材料的研究

摘要

我国超过一半以上的稀土资源来自于内蒙古包头的白云鄂博稀土矿床中，该矿经开采、浮选以及分离处理后会产生铁精矿和稀土尾矿，由于采选工艺落后等因素使稀土尾矿中仍含有部分的可回收资源，例如赤铁矿、独居石和氟碳铈矿等。这些稀土尾矿如无法得到有效利用，会造成极大的资源浪费，并产生重大环境问题，因此急需找到一条合理、可行、绿色、高效的尾矿综合利用途径。与此同时，在化石能源逐渐枯竭、全球环境问题日益突出的今天，加速发展廉价易得的非贵金属氧化物电催化剂是推动清洁、高效的燃料电池走向产业化的必经之路。铁-铈复合氧化物基电催化材料由于其廉价易得、原材料储量大以及良好的催化性能，近年来在燃料电池氧还原催化领域一直备受关注。而稀土尾矿中同时含有Fe，Ce元素以及Al，Mg，Co，K等微量元素，前者可作为催化剂的主要活性组分，后者则以掺杂的方式进入到催化剂中，起到助催化剂的作用，在提升电催化材料的导电率、催化轻度和稳定性方面有着不可多得的天然优势。
　　针对白云鄂博稀土尾矿高值化利用这一重大课题，本文拟将稀土尾矿不经深度分离提纯直接制备稀土基掺杂型复合氧化物催化材料，重点探索稀土尾矿的化学组成、溶液化学、沉淀行为等理化特性，并基于其溶解和沉淀化学，通过调节稀土尾矿酸浸液溶液的pH值，将稀土尾矿中Fe和Ce等富含元素转化为尺寸和形貌可控的稀土基复合氧化物催化材料(CeO2-Fe2O3)，而微量元素Al， Mg，Co，K作为助催化剂掺入到稀土基复合氧化物的晶格当中，从而制备得到以稀土基复合氧化物CeO2-Fe2O3为基质、微量元素Al，Mg，Co，K为掺杂离子的掺杂型稀土基复合氧化物催化材料(CeO2-Fe2O3)，并系统评价其在燃料电池阴极氧还原反应领域中的电催化性能，以期获得高价值的、具有自主知识产权的稀土尾矿的掺杂型稀土基复合氧化物催化材料，实现其在能源催化转化和环境催化领域的应用。
　　本文第一章为绪论部分，主要综述了稀土尾矿综合利用的现状、燃料电池阴极氧还原反应的电催化剂的研究进展，确立了本文的选题依据，提出了将稀土尾矿不经深度分离提纯直接制备掺杂型稀土基复合氧化物催化材料的稀土尾矿综合利用的新途径。
　　本文第二章以白云鄂博稀土尾矿为研究对象，采用X射线粉晶衍射仪(XRD)和X射线荧光光谱（XRF）等研究方法，深入研究了稀土尾矿的物相与化学成分、溶液化学、溶解剂沉淀行为等特性，通过对稀土尾矿进行球磨、酸浸、沉淀等加工处理，获得了可用于制备掺杂型稀土基复合氧化物催化材料的稀土基复合氢氧化物前躯体。
　　本文第三章以前述所得的稀土基复合氢氧化物前驱体为原料，采用水热/溶剂热方法，通过调节溶液pH值、表面活性剂种类、溶剂类型及其他反应条件，制备了掺杂型稀土基复合氧化物催化材料。利用X射线粉晶衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征手段，对掺杂型稀土基复合氧化物催化材料的结构、组成、相态、尺寸和形貌等进行了系统研究，并通过线性扫描、圆盘电极测试等电化学方法对其催化燃料电池阴极氧还原反应的催化性能进行了初步研究。研究发现，通过调控稀土尾矿溶液酸浸pH值获得不同氢氧化物沉淀物并以其为前驱体，使用不同表面活性剂可得到具有不同尺寸和形貌的掺杂型稀土基复合氧化物催化材料。通过优化反应条件，所得掺杂型稀土基复合氧化物催化材料对氧还原反应催化的半波电位可达0.78 V，已经具有了较好的氧还原电催化性能，为稀土尾矿制备高附加值掺杂型稀土基复合氧化物催化材料，实现稀土尾矿的无尾化综合利用提供了一条简便、廉价、高附加值的利用途径。
　　本文第四章对全文进行了总结，并对论文限于时间未完成的研究内容和下一步研究工作进行了展望，为后人开展相关工作提供指导。

目录

声明

摘要

一、稀土尾矿资源现状与综合利用

1．1 引言

1．2 稀土资源概述

1．3 稀土尾矿资源现状

1．4 稀土尾矿综合利用

1．5 燃料电池电催化剂

1．6 本文选题依据及研究内容

参考文献

二、稀土尾矿成分分析与分离提纯

2．1 引言

2．2 试剂与仪器

2．3 实验部分

2．4 结果与讨论

2．5 本章小结

参考文献

三、以稀土尾矿原料制备稀土基掺杂型复合氧化物催化材料

3．1 引言

3．2 试剂与仪器

3．3 实验部分

3．4 结果与讨论

3．5 本章小结

参考文献

四、总结和展望

4．1 总结

4．2 展望

致谢