一种制备二氧化铈纳米颗粒的方法技术

本发明专利技术提供了一种制备二氧化铈纳米颗粒的方法：首先，将硝酸铈、吡啶‑2,5‑二羧酸分别溶于无水乙醇和DMF的混合溶剂中，两种溶剂的体积比为1:1，然后把两种溶液混合搅拌均匀后再加入氨水调节其pH值为7.3～9.0；然后将混合后的溶液置于圆底烧瓶中，在实验室微波炉反应装置中反应10～40min，反应冷却后离心洗涤，60℃干燥得到铈基配位聚合物纳米粒子；最后，将得到的干燥样品置于马弗炉中，500～800℃下煅烧1～4h，冷却至室温后得到CeO2纳米颗粒。本发明专利技术具有1.加热均匀、热梯度小；2.副反应少，产物纯度高；3.能耗低，能源利用率高；4.加热速度快、反应时间短；5.加热环境清洁等一系列优点。本方法为纳米级的二氧化铈合成提供了一种快速高效的方法。

A Method for Preparing CeO_2 Nanoparticles

The invention provides a method for preparing cerium dioxide nanoparticles: firstly, cerium nitrate, pyridine 2,5 dicarboxylic acid are dissolved in the mixed solvent of anhydrous ethanol and DMF respectively, the volume ratio of the two solvents is 1:1, then the two solvents are mixed and stirred evenly, and ammonia water is added to adjust their pH value to 7.3-9.0; secondly, the mixed solution is placed in a round bottom flask in the laboratory. CeO_2 nanoparticles were obtained by centrifugal washing after reaction cooling for 10-40 min in microwave oven reaction device and drying at 60 ~C. Finally, the dried samples were placed in muffle oven and calcined at 500-800 ~C for 1-4 H. CeO_2 nanoparticles were obtained after cooling to room temperature. The invention has a series of advantages: 1. uniform heating, small thermal gradient; 2. fewer side reactions, high purity of products; 3. low energy consumption, high energy utilization rate; 4. fast heating speed, short reaction time; 5. clean heating environment, etc. This method provides a fast and efficient method for the synthesis of nanometer ceria.

【技术实现步骤摘要】
一种制备二氧化铈纳米颗粒的方法
本专利技术涉及二氧化铈纳米材料，具体涉及制备二氧化铈纳米颗粒的方法。
技术介绍
稀土配位聚合物在为数众多的配位聚合物中是一大重要的门类，因其在光学、催化、磁学等方面的广泛应用得到了研究者普遍的关注。在各种稀土材料的研究中，稀土氧化物的制备和应用一直是重点研究对象。通过调控稀土氧化物的形貌和尺寸来控制其性能及应用，也是当前研究的重点之一。通过对稀土配位聚合物简单的煅烧合成的稀土氧化物一般具有多孔结构，以及较大的比表面等优点，因此也具备更加优异的性能。纳米二氧化铈除了具有一般纳米材料的独特性能，还具有纳米材料本身形貌和尺寸等特有的结构特性，决定了其在众多纳米材料中无法替代的地位。由于其独特的化学和电子构型，机械稳定性和生物相容性而包含有趣的催化和电化学性质。纳米二氧化铈还因为量子尺寸效应，而能使紫外吸收光谱发生“蓝移”，可以被用作紫外吸收剂。对于生态环境和能源资源相关领域的应用来说，合成形貌和尺寸可控的纳米二氧化铈有着非常广阔的应用前景。众所周知，各种不同形貌和尺寸的纳米二氧化铈在性质上往往不同，因此制备不同形貌的纳米二氧化铈成为了纳米材料研究的热点。目前国内外对二氧化铈的合成制备已开展了较多的研究工作，纳米二氧化铈的制备方法有很多，其中根据制备的条件不同，可将制备方法分为气相，固相和液相法，而水热法是液相法中最常用的一种方法。例如：Maheswari和他的合作者以水热法合成了六角形CeO2纳米颗粒。TakaakiTaniguchi等使用油酸铈作为化学改性的前驱体，在氨水溶液中水解缩合，可控合成了尺寸可调的纳米晶二氧化铈和掺杂的二氧化铈纳米晶结构。此外，还可利用介导的方法合成了具有花状结构的铈微/纳米复合材料，并通过煅烧氧化铈前驱体的制备了具有类似结构的氧化铈。近年来，我们课题组已经实现了一系列微/纳米配位聚合物制备纳米材料如氧化铈，其他稀土氧化物等。比如，用水热法成功的合成制备出各种形貌和尺寸的二氧化铈，如通过简单的水热法先制备出铈基配位聚合物，再通过高温煅烧得到粒径约为400nm的核壳二氧化铈。与此同时我们也采用微波辅助加热法即用有压力装置的微波在密闭条件下合成铈基配位聚合物(CeCPs)超微球，然后再通过煅烧前驱体得到粒径约为300～500nm的多层核壳结构二氧化铈球。上述这种水热法虽然操作简单但是却很耗时耗能，而这种微波辅助加热法虽然大大缩短了反应的时间，产物纯度也较高，但它却需要在具有压力的微波罐中进行反应，同时需要较高的温度才能完成一系列反应。
技术实现思路
为解决现有技术中制备CeO2纳米颗粒的条件较为苛刻的问题，本专利技术提供一种采用微波辅助无模板微波法合成CeO2纳米颗粒的方法，该方法无模板、快速高效、低成本、低耗能。本专利技术采用以下技术方案：一种制备二氧化铈纳米颗粒的方法，无需高温高压条件和表面活性剂，采用无压力微波法，在这种敞开体系中高效快速合成铈基配位聚合物的纳米颗粒，然后通过简单的一步煅烧制备出CeO2纳米颗粒；不仅方法简单，而且快速高效，可以有效的降低成本和节省能源。该方法按如下步骤进行：步骤一：将硝酸铈、吡啶-2,5-二羧酸分别溶于无水乙醇和DMF的混合溶剂中，两种溶剂的体积比为1:1，用氨水(25％～30％)调节其溶液的pH值为7.3～9.0，混合搅拌后得浓度为0.01～0.03mol/L的Ce(NO3)3溶液；步骤二：将步骤一的混合溶液置于圆底烧瓶中置于微电脑微波化学反应器(WBFY-201)中，设置微波反应器的功率为210～350W，在敞开条件下回流反应10～40min，反应后冷却离心洗涤，在60℃下干燥，得到铈配位聚合物超微球粉末；步骤三：将步骤二的铈配位聚合物超微球粉末置于马弗炉中，在500～800℃下煅烧1～4h，冷却至室温后得到CeO2纳米颗粒。本专利技术以硝酸铈、吡啶-2,5-二羧酸为原料，无水乙醇和N-N二甲基甲酰胺为混合溶剂，先在微波装置中回流反应得到铈配位聚合物超细粉末，然后在马弗炉中高温煅烧得到CeO2纳米粒子。采用无模板法合成纳米CeO2粒子，在低温回流条件下进行合成，合成步骤简单，且能快速高效合成大量纯度较高的产物。采用微波加热方法合成前驱体，由于微波法加热均匀、热梯度小及成型速度快，可在无模板的条件下形成铈的配位聚合物纳米颗粒，合成的前驱体尺寸大小均匀且粒径较小。本专利技术通过对原料配方的选择，以吡啶-2,5-二羧酸为有机连接体，主要是由于(i)吡啶-2,5-二羧酸作为一种类似对苯二甲酸的氮杂环配体，同时具备多羧基配体以及芳香族配体的优势；(ii)吡啶-2,5-二羧酸既可以完全去质子化又可以部分去质子化，可以有多种酸度配位模式；(iii)吡啶-2,5-二羧酸既可以氧配位又可以氮配位，拥有丰富的配位模式有利于构建有机金属骨架。本专利技术合成的CeO2纳米颗粒平均粒径约为35nm，分布均匀。通过加入不同体积的氨水溶液调节其混合溶液的pH值，可以不同程度的控制二氧化铈纳米颗粒的分散性和形貌。这也为制备二氧化铈纳米颗粒提供了一种更简单方便的快速合成方法。作为最活泼的稀土金属氧化物之一，二氧化铈已经在催化剂、燃料电池、传感器、紫外吸收和发光的几个相关领域的关键应用中进行了广泛研究。由于具有纳米材料在化学催化、生物医学工程、能源存储、光子学、气体传感器、光学影像和药物释放等领域具有极大的应用潜力。故我们合成的CeO2也具有潜在的优良性能。本专利技术在回流无压力条件下，通过微波加热的方法快速合成CeCPs，再通过简单的煅烧制备出粒径更小的二氧化铈粒子，并对其性能进行进一步研究。不需添加表面活性剂，合成方法简洁高效，具有加热均匀、能源利用率高、反应时间短和加热环境清洁等一系列优点。相比于上述采用有压力微波的方法却同时具备缩短反应的时间，增大产物的产率，且耗能更低等优点。附图说明图1实施例1所制备的CeO2纳米粒子的XRD图。图2实施例1所制备的CeO2纳米粒子的透射电镜图。图3实施例1所制备的CeO2纳米粒子的紫外-可见光的吸收光谱图。图4实施例2所制备的CeO2纳米粒子的透射电镜图。具体实施方式实施例1：步骤一：将0.1mmol硝酸铈和0.3mmol吡啶-2,5-二羧酸溶于16ml无水乙醇和16mlN-N二甲基甲酰胺的混合溶剂中；步骤二：往上述混合溶液中加入氨水(30μL，浓度为30％)调节其pH值为8.0，并搅拌20min，混合均匀后再把混合溶液转移至圆底烧瓶中并置于实验室微波装置中，在210W的功率条件下反应30min，反应后离心洗涤，60℃干燥得到铈配位聚合物超细粉末(干燥样品)；步骤三：将上述得到的干燥样品置于马弗炉中，600℃下煅烧4h，冷却至室温后得CeO2纳米粒子。实施例2：步骤一：将0.1mmolCe(NO3)3·6H2O硝酸铈和0.3mmol吡啶-2,5-二羧酸溶于16ml无水乙醇和16mlN-N二甲基甲酰胺的混合溶剂中；步骤二：往上述混合溶液中加入氨水(40μL，浓度为25％)调节其pH值为8.5，并搅拌20min，混合均匀后再倒入圆底烧瓶中置于实验室微波装置中，在350W的功率条件下反应30min，反应后离心洗涤，60℃干燥得到铈配位聚合物超细粉末(干燥样品)；步骤三：将上述得到的干燥样品置于马弗炉中600℃下煅烧4h，冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备二氧化铈纳米颗粒的方法，包括如下步骤：步骤一：将硝酸铈、吡啶‑2,5‑二羧酸溶于有机溶剂中，调节溶液的pH值为7.3～9.0，得到硝酸铈溶液；步骤二：将步骤一的硝酸铈溶液置于微波反应装置中，设置微波反应装置的功率为210～350W，在敞开条件下回流反应10～40min，反应后冷却离心洗涤，干燥后得到铈配位聚合物超微球粉末；步骤三：将步骤二的铈配位聚合物超微球粉末在500～800℃下煅烧1～4h，冷却至室温后得到二氧化铈纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种制备二氧化铈纳米颗粒的方法，包括如下步骤：步骤一：将硝酸铈、吡啶-2,5-二羧酸溶于有机溶剂中，调节溶液的pH值为7.3～9.0，得到硝酸铈溶液；步骤二：将步骤一的硝酸铈溶液置于微波反应装置中，设置微波反应装置的功率为210～350W，在敞开条件下回流反应10～40min，反应后冷却离心洗涤，干燥后得到铈配位聚合物超微球粉末；步骤三：将步骤二的铈配位聚合物超微球粉末在500～800℃下煅烧1～4h，冷却至室温...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟声亮，董彩云，宁海金，徐先进，
申请(专利权)人：江西师范大学，
类型：发明
国别省市：江西,36