CeO基纳米粉体的共沉淀-水热合成及其表征

摘要

本研究以Ce(NO3)3·6H2O(分析纯)、Pr6O11(工业级)为主要原料，采用共沉淀-水热法，成功制备出了Pr-CeO2纳米晶粉体。研究了共沉淀反应中沉淀剂的种类、不同沉淀方法对产物的晶体结构及产物性质的影响；水热反应中温度、时间、pH值对产物的晶体结构及产物的性质的影响，并对水热处理的条件进行优化，找出理想的水热处理条件；研究了不同Pr的掺杂量，不同Ce盐浓度，不同表面活性剂聚乙二醇(PEG)掺杂量对产物性质的影响，找出试验中理想的反应参数；最后探讨了Pr-CeO2纳米粉体的呈色机理，以及水热过程中样品的生长机理。 采用IR，XRD，TEM，AFM，BET，Ramanspectra，CIE色差计等现代测试方法对前驱体基团，产物晶体结构、晶体微观形貌和粉体比表面积、氧空位浓度以及样品的颜色等进行了表征。 结果表明：对于草酸和氨水沉淀剂来说，适用于Pr-CeO2纳米粉体水热合成的沉淀剂为氨水；草酸为沉淀剂制备的样品为微米级(2μm)棒状颗粒，产物纯度较低，红度值a*较低(16.34)；以氨水为沉淀剂制备的样品为纳米级(18nm)多边形颗粒，产物纯度较高，红度值a*较高(20.01)。 不同的沉淀方法(并流法，正滴法，反滴法)对粉体的呈色性能和分散性有较大影响，对颜色的改善顺序为：并流法＞反滴法＞正滴法。对粉体分散性的改善顺序为：并流法＞反滴法＞正滴法。可以看出并流法是最适合Pr-CeO2氧化物合成的沉淀方法。 在140℃-200℃水热条件下制备了萤石型结构的Pr-CeO2粉体，随温度的升高，样品的晶粒尺寸，晶胞参数均变大，Pr在CeO2晶格中的溶解度加大，红度值a*增大，颜色由粉色变为红色。样品的晶粒尺寸和红度值a*均随水热时间的延长而增大，至水热25h时最有利于产物的晶体发育和呈色性能，继续增大水热时间，影响不大。在酸性水热介质中产物的晶体发育较好，呈色性能最佳，且产生了更多的氧空位，说明此时Pr在CeO2晶格中的溶解度较大，碱性水热介质有利于粉体的分散。 增加Pr的掺入量，粉体的呈色性能得到了改善，a*增大(14.50-22.94)，氧空位数量增多，有更多的Pr离子进入CeO2晶格，当掺入量为0.15，呈色性能(a*=22.94)和Pr的固溶度最大，继续增大Pr含量，对产物的影响不大。 不同Ce离子浓度对粉体的比表面积影响较大。当浓度为0.12mol·L-1时，比表面积最大，为61.08m2·g-1。此时粉体的呈色性能也最好，因为粉体的比表面积越大，越有利于提高颜料的呈色性能。 PEG的加入的确起到了减轻粉体团聚的作用，PEG含量不同时，样品比表面积相差较大，当PEG含量为原料质量的2.75％时，样品的比表面积最大，为77.01m2·g-1。 水热法制备Pr-CeO2粉体的呈色机理是：Pr3+置换了CeO2晶体中的Ce4+，形成固溶体；同时产生了氧离子空位，使晶格发生畸变，自由电子陷落在氧离子空位中而形成缺陷，即形成氧离子空位的杂质色心。导致其吸收波长在400nm左右的光，从而呈现出红色色调。 本研究初步探讨了水热法制备Pr-CeO2晶体的生长机理，晶体沿着(111)面按层状生长，由于部分Pr没有固溶进CeO2的晶格，从而相当于杂质存在，晶体生长时，杂质充当了晶种的角色，晶体围绕着杂质生长，偏离了原来的生长方式产生了刃型位错缺陷，晶体沿着位错生长。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.文献综述

1.1引言

1.2 CeO2概况

1.3 CeO2复合氧化物的应用

1.3.1 CeO2基固溶体在固体电解质上的应用

1.3.2在汽车三效催化剂方面的应用

1.3.3化学机械抛光中的应用

1.3.4陶瓷颜料

1.4 Ce1-xPrxO2的低毒性、无放射性

1.5铈基稀土储氧材料的制备方法

1.5.1沉淀法

1.5.2溶胶-凝胶法

1.5.3水热法

1.5.4微乳液法

1.5.5喷雾反应法

1.6本课题的研究目的和意义

2实验与测试

2.1实验仪器与药品

2.1.1实验仪器

2.1.2实验药品

2.2样品制备

2.3测试与表征

2.3.1物相分析

2.3.2微观形貌分析

2.3.3色度分析

2.3.4激光拉曼光谱

2.3.5傅立叶变换红外分析

2.3.6比表面积分析

3.结果分析与讨论

3.1 Pr-CeO2纳米粉体的共沉淀-水热合成

3.1.1沉淀剂的选择

3.1.2以氨水为沉淀剂制备前驱物的红外分析

3.1.3不同沉淀方法对粉体呈色性能和形貌的影响

3.1.4水热温度的影响

3.1.5水热时间的影响

3.1.6水热pH值的影响

3.1.7不同Pr掺杂量的影响

3.1.8 Ce离子浓度对粉体比表面积及呈色性能的影响

3.1.9聚乙二醇对粉体分散性能的影响

3.2 Pr-CeO2的呈色机理分析

3.3 Pr-CeO2粉体晶粒生长机理探讨

4.结论

致谢

参考文献

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