一种高比表面积、高储氧能力的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物及其制备方法

摘要

本发明公开一种氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法，所述方法包括以下步骤：（1）室温下加热锆盐溶液，缓慢加入硫酸根离子，控制升温速度，使硫酸根离子加入完毕时温度升至90～95℃，然后保温20～100min，形成碱式硫酸锆复合盐前驱体；（2）将铈盐和稀土金属盐加入所述前驱体溶液中，搅拌均匀，得浆料；（3）用碱式碳酸盐和/或碱式草酸盐溶液对浆料进行沉淀，得沉淀物；（4）对步骤（3）所得的沉淀物进行过滤洗涤，去除杂质，对洗涤后的沉淀物进行煅烧。本发明所述方法，通过对原料及工艺条件的控制，其制备得到的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物具有总细孔容大、新鲜比表面积高和储氧能力高等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物及其制备方法，尤其是一 种具有高比表面积、高储氧能力的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物及其制备方 法。

背景技术

由于汽车、摩托车以及拖拉机特别是汽车等机动车的尾气排放已成为世界 大中城市主要的大气污染源，而控制机动车尾气排放污染，最有效的措施是安 装机外汽车尾气净化器。作为汽车尾气净化器载体的活性炭层，铈镐复合材料 已成为汽车催化剂不可缺少的材料。铈镐复合材料具有很好的储氧能力和高温 水热稳定性，可有效拓宽汽车尾气催化剂的空燃比窗口，提高催化剂的性能和 使用寿命。特别是铈镐可提高贵金属催化粒子的分散度和贵金属的有效使用率， 降低贵金属用量，从而降低催化剂的制备成本。铈镐复合氧化物既可有效降低 汽车尾气排放造成的大气污染，又可促进镐化学制品工业和ZrO₂产品向深加工 领域发展，也将促进稀土产品结构调整向高附加值产品转化。

铈锆复合催化材料具有高稳定、高还原能力和高储放氧能力的特点，使三 元催化剂有很高的低温催化转化能力。其优异性能来源于稀土特殊的电子结构 于特性。铈具有价态可变性，在富氧状态下可将过量氧储存转化为四价铈，促 进废气的还原净化。当贫氧时，可将氧释放转为三价铈，促进废气的氧化净化。 而ZrO₂可提高材料的高温稳定性，保持材料较高的比表面积。CeO₂和ZrO₂在 很大配比范围内可复合，形成稳定的铈锆固溶体，具有单Ce、Zr所不具备的特 性优势。另外，在氧化铈中掺入ZrO₂以稳定氧化铈的立方萤石结构，可提高催 化剂的高温稳定性，降低Ce⁴⁺的活化能和相体的起始还原温度，使铈锆材料的 储氧能力（OSC）在较大的温度范围内有较高的转换效率。

不同比例稀土元素的添加阻止了铈锆晶粒的生长，抑制了催化剂的高温烧 结现象及其导致催化剂活性大幅度降低的作用，改善了催化剂的高温热稳定性。

为了满足汽车复杂的燃烧工况和日益严格的排放标准，汽车尾气催化剂一 般在高空速和高温（有时达到1000℃以上）条件下使用，其安装位置越来越接 近发动机，使用温度越来越高。传统方法制备的铈锆催化剂在高温下能保持较 好的储氧性能，能满足高性能汽车尾气净化三元催化剂对储氧材料储氧性能及 其高温稳定性的要求，但铈锆固溶体在高温下结构的热稳定较差，比表面积偏 小。如报道所制备的铈锆储氧材料经1000℃焙烧4hr后，200℃下储氧量仍可达 到300μmol/g以上，但比表面积不到10g/m²。三元催化剂在高空速下必须具有 较强的耐久性，传统铈锆材料在较高温度下游离出四方相ZrO₂，使单一的立方 相转变为多相共存，相分离和织构性能的不稳定会导致催化剂性能的严重下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种总细孔容大、新鲜 比表面积高、在高温下的比表面积热稳定性好，且具有优良的储氧能力的氧化 铈氧化锆基复合稀土氧化物；同时，本发明还提供了所述氧化铈氧化锆基复合 稀土氧化物的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种氧化铈氧化锆基复合稀 土氧化物的制备方法，包括以下步骤：

（1）室温下加热锆盐溶液，缓慢加入硫酸根离子，控制升温速度，使硫酸 根离子加入完毕时温度升至90～95℃，然后保温20～100min，形成碱式硫酸锆复 合盐前驱体；

（2）将铈盐和稀土金属盐加入步骤（1）所得的碱式硫酸锆复合盐前驱体 溶液中，搅拌均匀，得浆料；

（3）用碱式碳酸盐和/或碱式草酸盐溶液对步骤（2）所得的浆料进行沉淀， 得沉淀物；

（4）对步骤（3）所得的沉淀物进行过滤洗涤，去除杂质，对洗涤后的沉 淀物进行煅烧，即得氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物；

其中，所述步骤（1）中硫酸根离子的质量占锆盐质量的30～60%。

本申请发明人进行了广泛的研究，并通过实验发现，往可溶性锆盐中添加 硫酸根离子，通过控制升温速度和溶液的酸度，可形成不定形碱式硫酸锆盐前 驱体；往所述前驱体中添加铈盐和稀土金属盐溶液，然后加入氢氧化物和碳酸 盐和/或草酸盐，生成铈、锆和稀土元素的碳酸盐或草酸盐与与氢氧化物的复合 沉淀物。在热处理沉淀物的过程，通过碳酸盐或草酸盐的热分解，弱化分子间 的氢键，破坏粉体间的团聚，并最终形成具有分布集中、孔容大的孔洞的氧化 铈氧化锆基复合稀土氧化物。

作为本发明所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法的优选实施方 式，所述步骤（1）中的锆盐溶液为氧氯化锆、硝酸锆和草酸锆中的至少一种， 硫酸根离子来自硫酸钠、硫酸钾和硫酸铵中的至少一种。

作为本发明所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法的优选实施方 式，所述步骤（2）中的铈盐为硝酸铈、氯化铈等可溶性铈盐，稀土金属盐为除 铈盐外的可溶性稀土盐中的至少一种。

作为本发明所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法的优选实施方 式，所述步骤（3）中的碱式碳酸盐溶液为氢氧化钠或氨水与碱金属碳酸盐的混 合溶液，碱式草酸盐溶液为氢氧化钠或氨水与碱金属草酸盐的混合溶液。更优 选地，所述步骤（3）中碳酸根与草酸根的总摩尔量不超过氢氧根摩尔量的30%。

作为本发明所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法的优选实施方 式，所述步骤（4）中的煅烧包括以下过程：煅烧前期快速升温至400℃以分解 碳酸盐，然后在400～900℃保温1～5h。先快速升温至400℃分解碳酸盐，释放CO₂， 弱化分子间氢键连接，破坏粉体间的团聚，然后在400～900℃保温1～5h。

作为本发明所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法的优选实施方 式，所述方法还包括以下步骤：

（5）对煅烧后的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物进行粉碎，所述粉碎采用 锤式粉碎、行星磨粉碎、球磨、气流磨中的至少一种，可根据不同的用途，选 择其中的一种或多种方法并用。

作为本发明所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法的优选实施方 式，所述锆盐、铈盐和稀土金属盐的添加量按照所得氧化铈氧化锆基复合稀土 氧化物中含有ZrO₂：20～75wt%、CeO₂：15～75wt%、稀土氧化物：1～30wt% 的成分配比量取。所述方法中锆盐、铈盐和稀土金属盐的添加量，按照所得氧 化铈氧化锆基复合稀土氧化物中含有ZrO₂：20～75wt%、CeO₂：15～75wt%的 成分配比，根据各种氧化物所需要的化学计量比来量取。

本发明还提供一种采用如上所述方法制备得到的氧化铈氧化锆基复合稀土 氧化物，所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物包含以下重量份的组分：ZrO₂： 20～75wt%、CeO₂：15～75wt%、稀土氧化物：1～30wt%；

所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的粒度为5～20nm，其中ZrO₂、CeO₂和稀土氧化物以固溶体的形式存在。

作为本发明所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的优选实施方式，所述稀 土氧化物为镧系氧化物、钕系氧化物、氧化钪、氧化钇中的至少一种。

本发明所述氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法，工艺简单，通过 对每个步骤中原料及工艺条件的控制，能够得到具有分布集中、总细孔容大、 新鲜比表面积高的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物。本发明所述氧化铈氧化锆 基复合稀土氧化物催化性能优异，热稳定性好，储氧能力强，X射线衍射表明， 其粒度在5～20nm之间，铈镐类稀土氧化物以固溶体的形式存在。所述氧化铈氧 化锆基复合稀土氧化物，总细孔容积不少于0.55ml/g，具有10～100nm细孔容 积不低于0.25ml/g，并且具有100nm～10μm细孔容积不高于0.2ml/g；新鲜比表 面积≥70m²/g，在1000℃热处理3hr后老化比表面积≥50m²/g，1100℃热处理3hr 后老化比表面积≥20m2/g；新鲜储氧量≥450μmol/g，在1000℃热处理3hr后老化 储氧量≥300μmol/g。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施方式 对本发明作进一步说明。

实施例1

一种氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）室温下加热25wt%氧氯化锆溶液，以5ml/min速度加入10wt%硫酸钠 溶液，控制升温速度，使硫酸钠加入完毕时温度升至95℃，然后保温60min， 形成碱式硫酸锆复合盐前驱体，其中，硫酸根离子的质量占氧氯化锆质量的 30%；

（2）将20wt%硝酸铈溶液和20wt%硝酸镧溶液加入步骤（1）所得的碱式 硫酸锆复合盐前驱体溶液中，搅拌均匀，得浆料；

（3）用碱式碳酸钠溶液400g对步骤（2）所得的浆料进行沉淀，得沉淀物， 其中所述碱式碳酸钠溶液中氢氧化钠含量为80g、碳酸钠含量为20g；

（4）对步骤（3）所得的沉淀物进行过滤洗涤，去除杂质，对洗涤后的沉 淀物进行煅烧，先快速升温至400℃以分解碳酸盐，释放二氧化碳，弱化分子间 氢键连接，破坏粉体的团聚，然后继续升温至600℃煅烧5h，即得氧化铈氧化 锆基复合稀土氧化物；

（5）用研钵对煅烧后的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物进行碾碎，使得最 终产品的粒度在20nm。

本实施例中氧氯化锆、硝酸铈和硝酸镧的质量按照最终所得氧化铈氧化锆 基复合稀土氧化物中含有ZrO₂：20wt%、CeO₂：75wt%、氧化镧：5wt%的成 分配比称取。

实施例2

一种氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）室温下加热20wt%硝酸锆溶液，以5ml/min速度加入15wt%硫酸钾溶 液，控制升温速度，使硫酸钾加入完毕时温度升至90℃，然后保温100min，形 成碱式硫酸锆复合盐前驱体，其中，硫酸根离子的质量占硝酸锆质量的45%；

（2）将25wt%氯化铈溶液和25wt%硝酸钪溶液加入步骤（1）所得的碱式 硫酸锆复合盐前驱体溶液中，搅拌均匀，得浆料；

（3）用碱式草酸钠溶液450g对步骤（2）所得的浆料进行沉淀，得沉淀物， 其中所述碱式草酸钠溶液中氨水含量为100g、草酸钠含量为20g；

（4）对步骤（3）所得的沉淀物进行过滤洗涤，去除杂质，对洗涤后的沉 淀物进行煅烧，先快速升温至400℃以分解碳酸盐，释放二氧化碳，弱化分子间 氢键连接，破坏粉体的团聚，然后继续升温至900℃煅烧1h，即得氧化铈氧化 锆基复合稀土氧化物；

（5）采用行星磨粉碎和球磨并用的方式对煅烧后的氧化铈氧化锆基复合稀 土氧化物进行粉碎，使得最终产品的粒度在10nm。

本实施例中硝酸锆、氯化铈和硝酸钪的质量按照最终所得氧化铈氧化锆基 复合稀土氧化物中含有ZrO₂：75wt%、CeO₂：15wt%、氧化钪：10wt%的成分 配比称取。

实施例3

一种氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）室温下加热25wt%草酸锆溶液，以4ml/min速度加入10wt%硫酸铵溶 液，控制升温速度，使硫酸铵加入完毕时温度升至92℃，然后保温20min，形 成碱式硫酸锆复合盐前驱体，其中，硫酸根离子的质量占草酸锆质量的60%；

（2）将20wt%碳酸铈溶液和20wt%硝酸钇溶液加入步骤（1）所得的碱式 硫酸锆复合盐前驱体溶液中，搅拌均匀，得浆料；

（3）用碱式碳酸钠溶液200g和碱式草酸钠溶液200g对步骤（2）所得的 浆料进行沉淀，得沉淀物，其中所述碱式碳酸钠溶液中氢氧化钠含量为40g、碳 酸钠含量为10g，所述碱式草酸钠溶液中氨水含量为80g、草酸钠含量为20g；

（4）对步骤（3）所得的沉淀物进行过滤洗涤，去除杂质，对洗涤后的沉 淀物进行煅烧，先快速升温至400℃以分解碳酸盐，释放二氧化碳，弱化分子间 氢键连接，破坏粉体的团聚，然后在400℃煅烧4h，即得氧化铈氧化锆基复合 稀土氧化物；

（5）采用锤式粉碎和气流磨并用的方式对煅烧后的氧化铈氧化锆基复合稀 土氧化物进行粉碎，使得最终产品的粒度在15nm。

本实施例中草酸锆、碳酸铈和硝酸钇的质量按照最终所得氧化铈氧化锆基 复合稀土氧化物中含有ZrO₂：62wt%、CeO₂：30wt%、氧化钇：8wt%的成分配 比称取。

实施例4

一种氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）室温下加热20wt%草酸锆溶液和25wt%硝酸锆溶液，以6ml/min速度 加入10wt%硫酸铵和15wt%硫酸钠溶液，控制升温速度，使硫酸铵和硫酸钠加 入完毕时温度升至94℃，然后保温40min，形成碱式硫酸锆复合盐前驱体，其 中，硫酸根离子的质量占草酸锆和硝酸锆总质量的50%；

（2）将20wt%碳酸铈溶液、20wt%硝酸钕溶液、20wt%硝酸镧溶液加入步 骤（1）所得的碱式硫酸锆复合盐前驱体溶液中，搅拌均匀，得浆料；

（3）用碱式碳酸钠溶液300g和碱式草酸钠溶液100g对步骤（2）所得的 浆料进行沉淀，得沉淀物，其中所述碱式碳酸钠溶液中氨水含量为60g、碳酸钠 含量为5g，所述碱式草酸钠溶液中氢氧化钠含量为30g、草酸钠含量为2g；

（4）对步骤（3）所得的沉淀物进行过滤洗涤，去除杂质，对洗涤后的沉 淀物进行煅烧，先快速升温至400℃以分解碳酸盐，释放二氧化碳，弱化分子间 氢键连接，破坏粉体的团聚，然后继续升温至800℃煅烧2h，即得氧化铈氧化 锆基复合稀土氧化物；

（5）采用气流磨和球磨并用的方式对煅烧后的氧化铈氧化锆基复合稀土氧 化物进行粉碎，使得最终产品的粒度在5nm。

本实施例中草酸锆、硝酸锆、碳酸铈、硝酸钕和硝酸镧的质量按照最终所 得氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物中含有ZrO₂：39wt%、CeO₂：60wt%、氧化 镧和氧化钕：1wt%的成分配比称取。

实施例5

一种氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的制备方法，所述方法包括以下步骤：

（1）室温下加热25wt%氧氯化锆溶液和25wt%草酸锆溶液，以5ml/min速 度加入10wt%硫酸钾和10wt%硫酸钠溶液，控制升温速度，使硫酸钾和硫酸钠 加入完毕时温度升至93℃，然后保温80min，形成碱式硫酸锆复合盐前驱体， 其中，硫酸根离子的质量占氧氯化锆和草酸锆总质量的40%；

（2）将20wt%碳酸铈溶液、20wt%氯化铈溶液、20wt%硝酸钕溶液和20wt% 硝酸镧溶液加入步骤（1）所得的碱式硫酸锆复合盐前驱体溶液中，搅拌均匀， 得浆料；

（3）用碱式碳酸钠溶液100g和碱式草酸钠溶液350g对步骤（2）所得的 浆料进行沉淀，得沉淀物，其中所述碱式碳酸钠溶液中氨水含量为40g、碳酸钠 含量为5g，所述碱式草酸钠溶液中氢氧化钠含量为80g、草酸钠含量为10g；

（4）对步骤（3）所得的沉淀物进行过滤洗涤，去除杂质，对洗涤后的沉 淀物进行煅烧，先快速升温至400℃以分解碳酸盐，释放二氧化碳，弱化分子间 氢键连接，破坏粉体的团聚，然后继续升温至700℃煅烧3h，即得氧化铈氧化 锆基复合稀土氧化物；

（5）采用锤式粉碎和行星磨粉碎并用的方式对煅烧后的氧化铈氧化锆基复 合稀土氧化物进行粉碎，使得最终产品的粒度在18nm。

本实施例中氧氯化锆、草酸锆、碳酸铈、氯化铈、硝酸钕和硝酸镧的质量 按照最终所得氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物中含有ZrO₂：50wt%、CeO₂： 20wt%、氧化镧和氧化钕：30wt%的成分配比称取。

实施例6

采用本发明所述方法制备所得氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的物理性能 的测定

（1）总细孔容积

测试方法：将待测氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物在120℃干燥2h后置于 干燥皿中干燥至室温，放入孔径分布测定装置中进行测定，测定范围为0.001～10 μm。

采用上述方法分别对实施例1-5所得的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的 总细孔容积进行测定，结果见表1所示。

表1总细孔容积结果

组别 总细孔容积 10～100nm细孔容积 100nm～10um细孔容积 实施例1 0.67ml/g 0.52ml/g 0.17ml/g 实施例2 0.62ml/g 0.51ml/g 0.16ml/g

实施例3 0.65ml/g 0.47ml/g 0.15ml/g 实施例4 0.56ml/g 0.28ml/g 0.19ml/g 实施例5 0.59ml/g 0.39ml/g 0.17ml/g

由表1可看出，采用本发明所述方法所得的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化 物的总细孔容积不少于0.55ml/g，具有10～100nm细孔容积不低于0.25ml/g， 具有100nm～10μm细孔容积不高于0.2ml/g。

（2）比表面积

测试方法：利用基于液氮吸附法的比表面积仪进行测定。

采用上述方法分别对实施例1-5所得的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的 比表面积进行测定，结果见表2所示。

表2比表面积结果

组别 新鲜S_BET(m²/g) 老化S_BET^1000℃/3hr(m²/g) 老化S_BET^1100℃/3hr(m²/g) 实施例1 72 55 23 实施例2 70 54 22 实施例3 74 53 21 实施例4 76 56 21 实施例5 71 51 23

由表2可看出，采用本发明所述方法所得的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化 物的新鲜比表面积≥70m²/g，在1000℃热处理3hr后老化比表面积≥50m²/g，1100 ℃热处理3hr后老化比表面积≥20m²/g。

（3）储氧量

测试方法：根据程序升温法测定H2-TPR。

取0.3g氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物粉末加热至600℃并在高纯氧气中 保持60min进行充分氧化。在5%H2/Ar气流中以10℃/min的加热速度将氧化铈 氧化锆基复合稀土氧化物粉末从120℃加热至600℃，在此期间消耗的氢气用四 极质谱仪连续测量，最后从得到的氢气消耗曲线和面积测定氧的释放量，即为 储氧量OSC。

采用上述方法分别对实施例1-5所得的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化物的 储氧量进行测定，结果见表3所示。

表3储氧量结果

组别 新鲜OSC(μmol/g) 老化OSC^1000℃/3hr(μmol/g) 实施例1 475 387 实施例2 459 374 实施例3 466 382 实施例4 450 300 实施例5 468 357

由表3可看出，采用本发明所述方法所得的氧化铈氧化锆基复合稀土氧化 物的新鲜储氧量≥450μmol/g，在1000℃热处理3hr后老化储氧量≥300μmol/g。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本 发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的 普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而 不脱离本发明技术方案的实质和范围。