CN101239703A - 一种制备单分散球形纳米金属氧化物粉末的方法 - Google Patents

Abstract

一种制备单分散球形纳米金属氧化物粉末的方法，涉及纳米材料科学技术领域，根据所要制备的纳米氧化物，分别配制母液和沉淀剂溶液，将两种溶液分别装入超声雾化器中进行雾化，将母液和沉淀剂溶液产生的雾滴同时导入反应器中进行反应，同时打开反应器底部出口的抽滤装置进行抽滤，反应完毕后，收集前驱体颗粒，先水洗两遍，再用乙醇洗涤浸泡，经干燥、高温煅烧，最后研磨即可获得单分散、实心球形纳米氧化物粉末。本发明由于制备工艺中省略了前驱体的陈化时间，因此可使生产周期大大缩短，且工艺操作简单，并可连续生产，产量大。

Description

一种制备单分散球形纳米金属氧化物粉末的方法

技术领域

本发明属于纳米材料科学技术领域，涉及单分散、小粒径、实心球形纳米氧化物粉末的制备方法，特指一种制备单分散球形纳米金属氧化物粉末的液相雾化技术。

背景技术

纳米氧化物粉末以其优异的性能而被广泛应用于各个领域。随着科技的发展，对其形貌、粒度及均匀性提出了更高的要求。

液相雾化技术是指将一种液态物料(包括泥浆)雾化后在热的干燥介质中转变成干粉料的工艺，由于液相雾化技术兼具气相法和液相法的优点，存在着工艺简单，产品品质可靠，可连续生产等特点，被广泛应用于各种纳米氧化物粉末的制备，特别是纳米金属氧化物粉末的制备。目前该技术用于制备金属氧化物粉末的常见方法有喷雾干燥法、喷雾热分解法和喷雾反应法等。喷雾干燥法技术成熟，但热效率低。而喷雾热分解法制备的粉末中存在大量空心粒子和破裂球壳，严重影响粉末的综合性能。喷雾反应法优于前二种方法，可以制备出分布均匀的实心球体氧化物粉末，但目前还存在着诸如粉末团聚严重或粒径范围为亚微米级至微米级等问题。如华东理工大学徐华蕊等在1999年的《稀土》杂志上报道了用该法制备实心球形氧化铈粉末，他们将反应液雾化为细小的雾滴，引入温度为80℃左右的玻璃管中反应，然后雾滴进入温度为400～1200℃的石英管中分解，获得平均粒度为0.8um的实心球形二氧化铈粉末。张嘉琪等也于2006年在《天津理工大学学报》上报道将原料雾化后，通入高温反应区反应，通过精确控制载气流量及反应时间，获得了大小在30～40nm的TiO₂纳米粉末，但粉末出现了严重的硬团聚。

因此，采用液相雾化技术可以制备出实心球形金属氧化物粉末，如CeO₂、TiO₂、α-Al₂O₃等粉末，但要得到单分散的实心球形纳米级金属氧化物粉末，还存在着较大的难度。

发明内容

本发明的目的在于采用一种新型的液相雾化技术，使反应液接触面变广，改善反应微区的不均匀性，并使生成的前驱体颗粒快速与反应液分离，适当控制前驱体颗粒的成核与生长，再通过高温煅烧制备出粒径约为10nm，单分散的球形实心金属氧化物粉末。

制备方法如下：

根据所要制备的纳米氧化物，分别配制母液和沉淀剂溶液，将两种溶液分别装入超声雾化器中进行雾化，将母液和沉淀剂溶液产生的雾滴同时导入反应器中进行反应，同时打开反应器底部出口的抽滤装置进行抽滤，反应完毕后，收集前驱体颗粒，先水洗两遍，再用乙醇洗涤浸泡，经干燥、高温煅烧，最后研磨即可获得单分散、实心球形纳米氧化物粉末。

上述制备方法中，雾化器产生的雾滴直径为2～6um，雾化量和载气流量可通过氧化物的实际制备量和反应器大小进行调节。

上述制备方法中反应器为垂直放置且上部具有三个进口的容器，其中二个进口分别导入母液和沉淀剂溶液产生的雾滴，另一进口为检测口，用于检测反应体系的PH值，具体的PH值范围可通过各种金属的E-PH图查得，暂用玻璃塞堵住待检测时使用，反应器底部有一出口，该出口与抽滤装置相连，出口与抽滤装置之间放置多层滤布和滤纸。

上述制备方法中母液和沉淀剂溶液产生的雾滴通入反应器后，通过控制反应体系的PH值使之发生反应。反应开始后，待反应器中充斥大量含前驱体颗粒的雾滴时，打开反应器底部的抽滤机进行抽滤。继续反应并抽滤，一直至原料消耗完毕，收集反应器底部滤布或滤纸上的前驱体颗粒，先用蒸馏水洗两遍，再用乙醇洗涤浸泡，经干燥、高温煅烧，最后研磨即可获得单分散、实心球形纳米金属氧化物粉末。

本发明的优点在于：

(1)由于制备工艺中省略了前驱体的陈化时间，因此可使生产周期大大缩短，且工艺操作简单，并可连续生产，产量大。

(2)粉末颗粒的形貌、大小、粒径分布等特征可通过雾化参数的调整而得到控制。

(3)制备的金属氧化物粉末性能优异。如该法可用于制备CeO₂、TiO₂、α-Al₂O₃、SnO₂等各种纳米金属氧化物粉末，且所得氧化物粉末微细，平均粒径约为10nm，分散性好，比表面积高，颗粒形态为实心球形，流动性好。

(4)粉体转相温度低，烧结性能好，比正常转相温度低200℃左右。

附图说明

图1为纳米α-Al₂O₃粉体100nm标尺的透射电镜图

图2为纳米CeO₂粉体50nm标尺的透射电镜图

具体实施方案

实例1：

采用液相雾化技术制备粒径约为10nm，单分散、实心球形纳米α-Al₂O₃粉末。原料为：硫酸铝铵(NH₄Al(SO₄)₂工业级)；碳酸氢铵(NH₄HCO₃分析纯)；聚乙二醇-PEG6000；乙醇(AR)；蒸馏水(自制)。

(1)分别配制0.2～0.5mol/L NH₄Al(SO₄)₂和1.5～2.5mol/L NH₄HCO₃溶液，向硫酸铝铵中加入0.1～0.4％(质量分数)PEG6000做分散剂。

(2)将两溶液分别盛入两台CSW-2004型超声雾化器中，超声频率为1.7MHz，超声功率为80W，调节雾化量为120ml/h，载气流量为200ml/s.通过雾化器喷雾成一个个悬浮在空气中的微小液滴，液滴尺寸为2um～5um；

(3)产生的两种雾滴同时将NH₄Al(SO₄)₂和NH₄HCO₃溶液导入反应器中进行反应，控制反应器内的PH值为6～8，并打开反应器底部的抽滤机进行抽滤，以便使产生的前驱体颗粒快速落下；

(4)收集前驱体颗粒，先蒸馏水洗两遍，再用乙醇洗涤后浸泡2～5小时；

(5)离心后将得到的前驱体经80℃干燥3～20小时，待前驱体粉末转为白色，干透为止；

(6)将前驱体置于高温炉中经1200℃煅烧20分钟至数小时(与所烧前驱体质量多少有关)使之完全转变为α相；

(7)置于球磨机中球磨10小时即可制得纳米α-Al₂O₃粉末。

按实施例1的工艺参数制得的α-Al₂O₃粉末样品的透射电镜图如图1所示。从中可以看出，颗粒粒径分布很均匀，呈球形，平均粒径约为10nm左右。

实例2：

采用液相雾化技术制备CeO₂粉末实例。

(1)分别配制碳酸氢铵和硝酸铈溶液，铈溶液浓度为[Ce³⁺]0.5mol/L，碳酸氢铵与硝酸铈摩尔比为4∶1；

(2)将两溶液分别盛入两台CSW-2004型超声雾化器中，超声频率为1.7MHz，超声功率为80W，调节雾化量为120ml/h，载气流量为200ml/s.通过雾化器喷雾成一个个悬浮在空气中的微小液滴，液滴尺寸为2um～5um；

(3)将产生的两种雾滴同时导入反应器中进行反应，控制反应器内的PH值为7～8，并打开反应器底部的抽滤机进行抽滤，以便使产生的前驱体颗粒快速落下；

(4)收集前驱产物，并用蒸馏水洗涤2遍，无水乙醇洗涤1遍；

(5)放入烘箱中80℃烘干，再放入600℃煅烧炉中煅烧2h，得到CeO₂粉体。

按实施例2的工艺参数制得的CeO₂粉体样品的透射电镜图如图2所示。从中可以看出，颗粒粒径分布很均匀，呈球形，平均粒径约为4nm左右。

Claims (3)

1、一种制备单分散球形纳米金属氧化物粉末的方法，采用了液相雾化技术，其特征在于：根据所要制备的纳米氧化物，分别配制母液和沉淀剂溶液，将两种溶液分别装入超声雾化器中进行雾化，将母液和沉淀剂溶液产生的雾滴同时导入反应器中进行反应，同时打开反应器底部出口的抽滤装置进行抽滤，反应完毕后，收集前驱体颗粒，先水洗两遍，再用乙醇洗涤浸泡，经干燥、高温煅烧，最后研磨即可获得单分散、实心球形纳米氧化物粉末。

2、根据权利要求1所述的一种制备单分散球形纳米金属氧化物粉末的方法，其特征在于：雾化器产生的雾滴直径为2～6um，雾化量和载气流量通过氧化物的实际制备量和反应器大小进行调节。

3、根据权利要求1所述的一种制备单分散球形纳米金属氧化物粉末的方法，其特征在于：反应器为垂直放置且上部具有三个进口的容器，其中二个进口分别导入母液和沉淀剂溶液产生的雾滴，另一进口为检测口，用于检测反应体系的PH值，具体的PH值范围可通过各种金属的E-PH图查得，反应器底部有一出口，该出口与抽滤装置相连，出口与抽滤装置之间放置多层滤布和滤纸。

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