具有磷钇矿晶体结构的单相磷酸钇及其合成方法

摘要

本发明公开了基本上为单相的磷酸钇的制备方法，所述磷酸钇呈磷钇矿晶体结构。所述方法可不采用高温进行(例如，所述方法可在温度小于1000℃的条件下实施)。得到的磷酸钇可呈包括磷酸钇晶体交织束的颗粒和/或从这些颗粒制备得到的纳米颗粒的形式。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35 USC§119(e)的规定，要求2006年6月5日提交的美国临时申请60/811,222的优先权，该申请的全文引入本文作为参考。

技术领域

本发明一般涉及磷酸钇和制备商业用量的磷酸钇的方法，特别涉及具有磷钇矿晶体结构的纯的或单相磷酸钇，以及不采用极高温度合成磷酸钇的方法。

背景技术

近几年，很多研究者在研究磷酸钇在陶瓷材料领域的应用。磷酸钇看上去在应用于层压复合材料中有价值，用作陶瓷基质复合材料的纤维-基质内表面，以及用作热保护用涂层。由于其暴露于高温时的抗膨胀性，它看上去更适用作涂层。

虽然已经报道了很多研究者的磷酸钇合成方法，但无论是通过昂贵的高温固态反应还是湿法化学沉淀，看上去仍得不到用于商业应用的大量磷酸钇。此外，很重要的是，在陶瓷材料加工领域中所用的任何磷酸钇应该不含第二相和其它杂质。因此，迫切需要开发较价廉的方法来合成大量的纯的或单相磷酸钇，尤其是具有磷钇矿晶体结构的磷酸钇。

发明内容

根据本发明，发现了具有磷钇矿晶体结构的纯相磷酸钇可采用较低温度的方法进行合成，该方法先形成固体和较难溶于水的钇化合物(优选氧化钇)的浆液。接着将磷酸加入浆液中，加入磷酸的量少于形成磷酸钇所需的化学计量。因此，浆液中钇和磷的摩尔比大于1.0。然后向浆液中加入无机酸(优选硝酸)，与过量的钇化合物反应，从而形成可溶于水的钇盐。然后，将钇化合物和磷酸反应生成的固体磷酸钇(其基本上不含多余的磷酸和钇化合物)从浆液中移出，洗涤除去可溶性杂质并干燥(通常在适当低于1000℃的温度下)。所得的材料是具有磷钇矿晶体结构的单相或纯相磷酸钇，不含未反应的钇化合物和磷酸以及其它形式的磷酸钇。所述纯相磷酸钇不需采用高于1000℃的温度条件即可得到，这意味着采用本发明所述的方法能大幅节约成本。

附图说明

图1和2是X射线衍射(XRD)图。具体地说，图1是在加入磷酸，接着过滤，洗涤并在1000℃下干燥后，在进行的测试中得到的试样的X射线衍射图，而图2示出了在与无机酸反应，洗涤并干燥至1000℃后，转变为单相磷酸钇的转变过程。

图3和4是在图1和2所示的相同试样上进行的热解重量(Thermogravametric)测定法(TGA)和示差扫描量热法的测试图像。

具体实施方式

在本发明所述生产商业用量的磷酸钇的方法中，第一步是形成包含钇化合物的浆液。可采用任何较难溶于水的固态钇化合物。一般地，所述钇化合物的溶解度小于约0.1克/升。可用的钇化合物的例子包括氧化钇，碳酸钇，碳酸氢钇和氢氧化钇。通常，将足量的固态钇化合物与水混合，使所得的浆液包含约0.5至50wt％的固体，优选约0.3至约20wt％，更优选约5至15wt％。

在剧烈搅拌钇化合物的含水浆液时，加入磷酸以形成磷酸钇。已发现，采用化学计量的磷酸所形成的磷酸钇包含未反应的钇化合物、未反应的磷酸和非磷钇矿的磷酸钇。理论上这种被污染的磷酸钇是由于未反应的钇化合物的包封和磷酸的缓慢分离造成的不完全反应导致的。惊讶地发现，将加入的磷酸量限制为小于所需的化学计量最终得到了具有磷钇矿矿物结构的纯单相磷酸钇。因此，向钇化合物的含水浆液中加入的磷酸的量小于形成磷酸钇所需的化学计量。

通常，在约15分钟至约90分钟内，将75—85wt％的磷酸溶液加入浆液中，持续搅拌浆液，并通常将温度维持在约20℃至约70℃。加入浆液中的磷酸的量通常小于浆液中存在的钇化合物的量约1.5摩尔％。当所用的钇化合物是氧化钇时，发生反应得到磷酸钇、微量的氧化钇、微量的表面吸附的磷酸和水。所形成的磷酸钇包含在浆液中的约95.5％的固体部分。

为了从浆液中的固体中除去过量的氧化钇和磷酸，向浆液中加入少量无机酸。所述酸将钇化合物和磷酸从磷酸钇中释放出来，并使二者相互反应直至磷酸耗尽。1.5摩尔％的过量钇化合物和酸反应形成溶于浆液的水相的可溶性钇盐。当所用的钇化合物是氧化钇、所用的无机酸是硝酸时，所述反应提供可溶性硝酸钇，其与残留的磷酸化合生成磷酸钇固体，并提供微量的在溶液中的硝酸钇。

在该方法的这一点上，生成的磷酸钇具有矿物针磷钇铒矿(churchite)的晶体结构(水合磷酸钇)，接着采用过滤、离心或其他液-固分离技术将磷酸钇从水相中分离出来。

尽管只采用了硝酸用以说明，但通常也可采用很多其他的无机酸来溶解过量的钇化合物以使其从沉淀的磷酸钇中除去。所述酸的例子包括氢溴酸、氢碘酸和硫酸。

一旦将磷酸钇从浆液的水相中移出后，一般用水洗涤以除去任何残留的可溶性杂质，然后在温度低于1000℃的条件下将其干燥。已经发现，从含水浆液中移出的磷酸钇纯度极高，呈矿物针磷钇铒矿的单相针状晶体结构，并且基本上不含未反应的组分和非针磷钇铒矿的磷酸钇。所述干燥步骤仅仅是为了除去水分，将磷酸钇从针磷钇铒矿结构转变为磷钇矿晶体结构，并不分解未反应的钇化合物、磷酸和其他杂质。从针磷钇铒矿结构至磷钇矿晶体结构的转变发生在约300℃。从这点上看，通过在较低温度(约300℃-900℃，优选温度低于500℃)的条件下干燥磷酸钇可大幅节约成本。

经过干燥步骤回收得到的磷酸钇是具有磷钇矿晶体结构的基本上纯的单相磷酸钇。其分子式是Y_aPO₄，式中a为1.000至1.005。优选地，存在的钇的含量不比Y多0.25摩尔％，以分子式YPO₄计。形成的磷酸钇颗粒呈针状，以微晶体的交织束的软簇的形式存在。所述簇可容易地散开形成纳米大小的颗粒。

本发明的特征和目的将通过以下实施例进一步说明，这些实施例的目的仅为了说明，而不是如权利要求书那样限制本发明。这些实施例显示了采用无机酸溶解过量的氧化钇以及形成纯相磷酸钇的效果。

图1，即试样DW-15-127-1的X射线衍射图模型，示出了固体材料(主要是磷酸钇)以及存在的少量氧化钇。所述试样是在加入磷酸，接着过滤、洗涤并在1000℃下干燥后，在进行的测试中得到的。

图2，即X射线衍射图模型DW-15-127-3，示出了DW-15-127-1中所示材料在与无机酸反应，洗涤并干燥至1000℃后，转变为单相磷酸钇的转变过程。

图3和4是在图1和2所示的相同试样上进行的热解重量测定法(TGA)和示差扫描量热法的测试图像。图3和4证实了由于不存在进一步的相转变导致的相纯度。

虽然为了说明的目的已经对本发明进行了详细的描述，但是应理解，这些详细的说明仅仅是为了说明的目的，在不脱离由以下权利要求书限定的本发明的精神和范围的前提下，本领域技术人员可以对本发明进行任何改进。