具有特定表面性質(zhì)的稀土氧化物粉體及其制備方法研究

韋世強，張亮玖，周慧榮

（廣西國盛稀土新材料有限公司，廣西 崇左 532200）

隨著科技的不斷發(fā)展，稀土氧化物在電極、催化、熒光等各種材料中的使用引起了人們的高度重視，并進行了全面應用。在此其中，當CeO2與非化學比CeO2-x在不一樣的氧分壓條件下進行加熱的時候，他們會產(chǎn)生的可逆轉(zhuǎn)換。在這一環(huán)節(jié)中，Ce原子的亞晶格結(jié)構(gòu)依舊是以前的結(jié)構(gòu)。這一特性使它變?yōu)榱巳剂想姵刂凶盍己玫碾姌O材料。除此以外，氧化鈰還可用作催化劑的載體材料，在環(huán)境保護以及工業(yè)生產(chǎn)中進行使用。比如：氧化鈰好比汽車尾氣凈化三元催化劑內(nèi)的重要部分，與此同時，它還能對乙醇分解以及催化。同時，氧化鈰還能夠在玻璃門窗以及化妝品的紫外線吸收添加劑中進行使用。

1 研究的內(nèi)容

開展本次研究的主要目的是對特定表面性質(zhì)的稀土族元素氧化物粉體制備方式進行研究和闡述。文章所講解的稀土族元素的氧化物粉體主要包含了表面是{100}和{110}的晶體表面的顆粒。具體的制備包含了以下幾個流程：

（1）把稀土放入能夠真空的加熱設(shè)備中，在完成抽真空以后在設(shè)備中加入氫氣與惰性氣體混合物。在此其中，氫氣含量通常不低于10%。假如缺少氫的作用，或者因為添加的氫不充足造成氫的效果不明顯，那么稀土元素蒸氣因為在過飽和狀態(tài)下迅速凝結(jié)，就不能得出本篇文章所供應的{100}和{110}的晶面、擁有特定表面性質(zhì)的稀土氫化物粉末。但是，惰性氣體的關(guān)鍵作用是減少由于加熱設(shè)備氣密性泄漏引起的氫氣爆炸事故的毀壞力。在惰性氣體中主要包含了化學元素周期表中的全部惰性氣體，如：氬氣、氦氣、氡氣等等。

（2）在氫與惰性氣體的混合物中，向稀土中加入熱量引起蒸發(fā)，其反應公式為：

稀土蒸汽從加熱區(qū)分離出來，成核并且凝結(jié)成粉末顆粒：

在此其中，UFPs表示為超微粉體。當粉體冷卻時，它們開始吸收氫形成稀土氫化物并釋放熱量：

釋放的熱量減緩了顆粒冷卻的速度，使它們有足夠的時間可以在冷卻的這一環(huán)節(jié)形成晶體，以此來得到表面特定晶面的形成，外表較為規(guī)則的稀土氫化物粉末：

因為稀土氧化物以及氧化物這兩者之間具有良好的晶格匹配聯(lián)系（都包含了面心立方結(jié)構(gòu)，并且晶格失配率不超過3%），所以，最終的氧化物有效保留了中間氫化物的粒子幾何結(jié)構(gòu)。其中，在稀土氧化物粉末中的幾何形狀伴隨使用稀土元素的不同與制備環(huán)節(jié)氫含量等技術(shù)參數(shù)的不同而不同。

此外，在步驟(5)中，氧化效果與氧含量、升溫的程度、氫化物粉末的顆粒大小有關(guān)。總的來說，對本質(zhì)一樣的稀土元素來說，氫化物粉末的粒徑如果越小，那么它的表面積也就越大，并且活性也就越來越高，在低氧或低溫條件下可以被氧化。氫化物粉體粒徑太大，比表面積小，反應活性低，在高氧或高溫條件下才能被完全氧化。

本篇文章研究的作用主要是，將稀土金屬當成主要的原材料，在具有氫氣氛的狀況下讓他蒸發(fā)，制備了氫化常規(guī)粉體并進行了氧化，在此過程中都是干式反應，不僅簡單，并且需求的設(shè)備也極為簡單，同時沒有污染，適合在大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中使用。此外，與當前廣泛使用的溶液合成法和固體粉碎法生產(chǎn)CeO2超細粉體相比較，這一方式制備的氧化物粉體表面都擁有對{100}和{110}高催化活性的晶體顆粒，然而現(xiàn)如今所使用的制備技術(shù)制備而成的產(chǎn)品表明通常都是化學惰性的{111}面例如氧化鈰。早前就有研究表示，添加有晶體表面以及表面性質(zhì)的氧化鈰納米材料和其他材料進行對比，前者擁有更好的催化效果。

2 研究方式

如圖所示，研究通過具體實施例更詳細地描述。

2.1 實施例1

制備表面為{100}和{110}的氧化鈰超細粉體的工藝流程如下：

（1）把稀土鈰置于真空等離子體加熱爐中，在30%H2/Ar和1atm的混合氣氛下，用直流電弧等離子體將鈰汽化凝聚成納米顆粒。因為鈰納米顆粒在吸收氫氣以后就會形成氫氧化物，以此來產(chǎn)生放熱反應，導致冷卻速度不斷減慢。并生長為方形的氫化鈰納米顆粒。

（2）在結(jié)束加熱以及抽真空以后，在冷卻完成以后往加熱爐中添加一些空氣。

（3）當氫氧化鈰納米顆粒處于空氣中時，將會被氧氣氧化，以此來形成規(guī)則幾何形狀的方形氧化鈰納米粒子。

2.2 實施例2

氧化釤超微粉晶面為{100}和{110}的制備工藝如下：

（1）將稀土釤置于氧化鋁坩堝中，并且置于真空反應室中，在50%H2/He氣氛和1atm混合氣下，利用水冷銅線圈進行高頻感應加熱，讓它能夠在熱的條件下蒸發(fā)。

（2）釤蒸汽冷凝產(chǎn)生超微粉末顆粒。處于冷凝的時候由于吸收氫與生成氫化物的放熱反應，導致冷卻的速度越來越慢，并逐漸凝聚成釤氫化物的方形超微粉末顆粒。

（3）在結(jié)束加熱與抽真空以后，直到系統(tǒng)冷卻和空氣排出。本品經(jīng)長時間貯存后，經(jīng)完全氧化得到方氧化釤超微粉。

2.3 實施例3

氧化鑭超微粉晶面{100}和{110}的實際制備工藝為以下幾方面：

（1）將稀土鑭置于氧化鋁坩堝中，置于真空管式爐中，在30%H2/Ne混合氣氛下，200 ml/min載氣流量下，-0.75atm力下將溫度提高到1000℃以上鑭蒸發(fā)。

（2）載氣把鑭蒸氣運送到下游以后，逐漸形成了納米顆粒。鑭納米顆粒可以成長為方形的氫化鑭納米顆粒，其中最為重要的原因是由于對氫的吸收逐漸形成了氫化物，其放熱反應讓冷卻的速度不斷降低，從而凝聚成鑭氫化物納米顆粒。

（3）在下游采集的氫化鑭納米顆粒，經(jīng)氧熱處理以后獲得氧化鑭納米顆粒，并且獲得了方形的氧化鑭納米顆粒。

2.4 實施例4

氧化鐠超微粉體顆粒晶面{100}和{110}的制備工藝如下：

（1）把稀土鐠置于真空紅外加熱爐中，將50%H2/Ar和-0.6atm的混合物用紅外線照射使鐠受熱蒸發(fā)。

（2）鐠蒸氣冷凝形成的超細粉末顆粒。超細鐠粒子由于吸收氫和生成氫化物的放熱反應，以此來降低冷卻的速度，以此來形成為方形的氫化物超細鐠粉體顆粒。

（3）在停止升溫與抽真空以后，冷卻完成后，充滿空氣至大氣壓。采集氧化鐠的超細粉體，在純氧氣氛中加熱氧化，以此來獲得方形的氧化鐠超微粉體顆粒。

3 結(jié)論

本次研究通過使用稀土金屬來充當實驗的原材料，在含有氫氣氛的狀況下讓稀土金屬進行蒸發(fā)，以此來制備出添加氫以后的常規(guī)粉體，并對其進行了氧化，對具有特定表面性質(zhì)的稀土氧化物粉體實行制備。并經(jīng)過以上這幾種不一樣的實驗案例來進行表明，本方法可制備出表面為催化活性較高的{100}和{110}的晶體表面的顆粒。