氧化鈰多孔陶瓷制備.doc

氧化鈰多孔陶瓷的制備The Preparation of Porous CeO2 Ceramics張世磊，王英姿，齊恩磊，王磊Zhang Shilei, Wang Yingzi, Qi Enlei, Wang Lei（濟(jì)南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250022）(School of Materials Science & Engineering, University of Jinan, Jinan 250022)摘 要：本文以Ce(NO3)36H2O為原料，以氨水為沉淀劑，采用水熱法制備出氧化鈰粉體，并以淀粉為造孔劑制備出了氧化鈰多孔陶瓷。利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡對(duì)氧化鈰粉體及多孔陶瓷其進(jìn)行了表征。結(jié)果表明氧化鈰的燒結(jié)溫度為1450左右，以淀粉占氧化鈰質(zhì)量的40%制備出的多孔陶瓷氣孔形狀規(guī)則，分布均勻。Abstract: In this paper , Ce(NO3)36H2O was used as raw material, and NH3H2O was used as precipitant. The CeO2 was prepared through hydrothermal synthesis method and CeO2 porous ceramics was prepared by adding starch as pore former. The CeO2 powders and the porous ceramics were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The results show that the sintering temperature of CeO2 is about 1450. The shape of pores are regulation and the distribution of pores are uniform in the porous ceramics that prepared with 40% starch in the preform body of CeO2.關(guān)鍵詞：氧化鈰；可燒結(jié)性；多孔陶瓷Key words: CeO2; sinterabilty; porous ceramics1 引言由于CeO2獨(dú)特的儲(chǔ)放氧功能與高位快速空位擴(kuò)散能力，廣泛的應(yīng)用在催化氧化等方面，將氧化鈰制備成多孔陶瓷，一方面部分保留了粉體的高比表面積，另一方面又可以將氧化鈰制備成任意形狀在實(shí)際中應(yīng)用。目前人們制備氧化鈰的方法有：沉淀法1、溶膠-凝膠法2、電化學(xué)法、微乳液法3、水熱法4、微波均相法5等。水熱法制備納米粉體的特點(diǎn)是粒子純度高、分散性好、晶形好且可控制6。上海師范大學(xué)的欒寶平等7以檸檬酸鈉為形貌控制劑，以尿素為為沉淀劑采用水熱法制備了球形的CeO2粉體。李占雙8等人采用乙二醇作為分散劑，不同溫度下用水熱法制備了球形納米CeO2粉體，且分散性較好。本文采用水熱法制備了CeO2粉體，利用電子掃描顯微鏡（SEM）和X射線衍射儀（XRD）對(duì)制備的粉體進(jìn)行表征，并對(duì)SiO2粉體進(jìn)行可燒結(jié)性測(cè)試。以淀粉為造孔劑采用添加造孔劑的方法制備CeO2多孔陶瓷并研究造孔劑的含量對(duì)多孔陶瓷的影響。2 實(shí)驗(yàn)向配制好的0.25mol/L的Ce(NO3)3溶液中滴加兩倍于Ce3+物質(zhì)的量的H2O2，向溶液中滴加0.1mol/L的氨水溶液至溶液pH接近9，攪拌至完全沉淀，洗滌沉淀至中性，再將沉淀配成200ml的濁液至自控反應(yīng)釜中180處理4h冷卻離心得到白色沉淀，洗滌干燥后得到氧化鈰前驅(qū)體，然后在500煅燒4h，得到紅棕色的氧化鈰粉體。將制備的氧化鈰粉體在200Mpa下壓制成厚度約為1mm，直徑為13mm的薄片。將薄片分別在1100、1450、1550下燒結(jié)，保溫4h后自然冷卻，測(cè)試氧化鈰粉體的可燒結(jié)性，確定氧化鈰的燒結(jié)溫度。將氧化鈰粉體、淀粉（造孔劑）、PEG4000、超純水在行星球磨機(jī)中混合均勻得到漿料，將漿料注入模具中在80的水浴鍋加熱中糊化，將模具放入真空干燥箱中在110下真空干燥12h，脫模后得到坯體。將坯體放入箱式電阻爐中在500下保溫4h排膠，冷卻后在1500下保溫4h，冷卻后得到氧化鈰多孔陶瓷。改變淀粉占氧化鈰的質(zhì)量比：20%、30%、40%、50%以研究淀粉對(duì)多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的影響。3 結(jié)果分析3.1 XRD分析圖1為制備的CeO2粉體的XRD圖譜。從圖譜分析，樣品的主要衍射峰對(duì)應(yīng)于（111）、（200）、（220）、（311）晶面，是一張面心立方氧化鈰的XRD圖譜。制備的氧化鈰圖譜的衍射峰較為明顯，合成出了氧化鈰粉體。圖1 CeO2的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of the CeO23.2 SEM分析圖2氧化鈰粉體的SEM照片。從圖中可看出用自控反應(yīng)釜制備的氧化鈰粉體晶粒形貌為較為規(guī)則的直徑約為200nm的球狀，晶粒團(tuán)聚比較明顯。ab圖2 CeO2的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of CeO23.3 可燒結(jié)性分析表1為氧化鈰干壓成坯體燒結(jié)前后的尺寸數(shù)據(jù)。從表中可以看出在1100下熱處理4h，收縮率最小，觀察熱處理之后的樣品表面，發(fā)現(xiàn)樣品表面仍有粉體存在，用手很容易就可以將粉體擦下，樣品強(qiáng)度很低明顯未燒結(jié)成陶瓷，即未到達(dá)氧化鈰的固相燒結(jié)溫度。在1450下熱處理4h，收縮率最大，樣品顏色由處理前的淡黃色變?yōu)樽厣?，表面也變得光滑，樣品已?jīng)燒結(jié)成陶瓷。在1550下熱處理4h，處理后顏色與1450下處理的相同，收縮率相對(duì)于與1450下并為增大，反而有所減小。因此，可確定氧化鈰的燒結(jié)溫度在1450左右。表1氧化鈰燒結(jié)溫度與尺寸燒結(jié)溫度/入爐尺寸/mm出爐尺寸/mm收縮率/%110013.0010.7017.6923145013.009.7824.7692155013.009.8424.30773.4 多孔陶瓷的abddc圖3 不同淀粉用量的多孔陶瓷斷面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of porous ceramics prepared with different dosage of starch圖3中a、b、c、d分別為淀粉含量為20%、30%、40%和50%制備的多孔陶瓷的斷面SEM照片。淀粉占氧化鈰質(zhì)量的20%燒結(jié)的多孔陶瓷中，氣孔分布均勻，孔直徑分布在110m左右，形狀不規(guī)則。而淀粉占氧化鈰質(zhì)量的30%燒結(jié)得到的多孔陶瓷氣孔分布均勻，孔徑分布在210m左右，空隙比20%的淀粉的多孔陶瓷的空隙相比，較為規(guī)則；特殊形狀的氣孔明顯少。并且，淀粉量為30%制備的多孔陶瓷的斷面可以看到明顯的晶界，氣孔率也明顯高于淀粉占氧化鈰的20%的多孔陶瓷。淀粉占氧化鈰質(zhì)量40%制備出的多孔陶瓷與淀粉含量30%的相比，淀粉占氧化鈰質(zhì)量的40%燒結(jié)出的多孔陶瓷的斷面的氣孔形狀接近球形且分布均勻，孔徑分布在510m左右。而淀粉占氧化鈰質(zhì)量的50%制備出的多孔陶瓷斷面的氣孔形狀不規(guī)則，并且晶粒之間連接較少，必然會(huì)影響多孔陶瓷的強(qiáng)度。4 結(jié)論氧化鈰燒結(jié)溫度在1450左右，不同含量的淀粉制備的氧化鈰多孔陶瓷中以淀粉占氧化鈰質(zhì)量的40%制備的多孔陶瓷氣孔形狀規(guī)則、分布均勻。參考文獻(xiàn)1 孫晶, 董相廷, 李昌立, 等. CeO2納米粒子的油酸包覆研究J. 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 24(4) : 23-26.2 侯文華, 徐林, 邱金, 等. 采用不同方法制備CeO2超細(xì)粒子-I:溶膠-凝膠法J . 南京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1999, 35(4):486-489.3 石碩, 魯潤(rùn)華, 汪漢卿. W/O微乳液中超細(xì)CeO2粒子的制備J. 化學(xué)通報(bào), 1998, (12):51-53.4 Masui T, Hirai H. Synthesis of cerium oxide nanoparticals by hydrothermal crystallization with citric acid J. J Mater Sci Let t, 2002, 21: 489-491.5 齊恩磊, 滿麗瑩, 王孫昊等. CeO2納米棒的合成及其光催化性能. 材料研究學(xué)報(bào), 2011, 25(2):219-224.6 姜倩, 張旭東, 何文等. 氧化鈰納米粉體制備技術(shù)的研究進(jìn)展J. 山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào), 2011,25(2):35-38.7 欒寶平, 余錫賓, 劉潔等. 不同形貌的CeO2的水熱法制備及表征J. 上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2011, 42(2):157-162.8 李占雙,