制备钪锆粉体的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种制备钪锆粉体的方法及装置。该方法包括以下步骤：将含钪溶液、含锆溶液进行混合，得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液置于微波反应器或超声波反应器中，然后在微波加热或超声波的作用下向其中加入沉淀剂并调节体系的pH值为7～11，以使体系进行沉淀反应，得到钪锆前驱体溶液；将钪锆前驱体溶液进行过滤，得到沉淀物；然后依次对沉淀物进行水洗、醇洗、干燥，得到钪锆前驱体；煅烧钪锆前驱体，得到钪锆粉体。本发明专利技术利用微波或超声波辅助共沉淀法制备钪锆粉体，有效解决了现有技术中共沉淀法的易团聚问题，相应有助于提高其作为固体电解质粉体的电导率。

Method and device for preparing scandium zirconium powder

【技术实现步骤摘要】
制备钪锆粉体的方法及装置
本专利技术涉及固体电解质材料
，具体而言，涉及一种制备钪锆粉体的方法及装置。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(SOFC)从技术层面上属于第三代燃料电池，是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接高效转化成电能的全固态新型发电装置，具有能量转换率高、燃料适应性强和环境友好等优点，越来越受到人们的广泛关注，具有广阔的应用前景。SOFC技术在发达国家已实现产业化，如美国的BloomEnergy公司，但在我国，SOFC的发展与欧美发达国家还有一定的差距。SOFC的核心部件是固体电解质。目前，绝大多数SOFC均以6～10％的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为固体电解质，它在高温下(～1000℃)具有高的氧离子电导率，但没有电子电导率，且还具有高化学和物理稳定性、高的机械强度、高热稳定性、与其他电池组件很低的化学反应性、易加工性和适中的价格等。但YSZ材料也具有一定的局限性，以YSZ为电解质的SOFC的工作温度一般在1000℃或者更高，这不仅增加了SOFC投资和生产成本，而且带来了其稳定性问题，如连接板的氧化、密封失效、电极毒化等，影响着电池堆的整体寿命，阻碍了实际应用。因此将工作温度降至中温(500～800℃)是目前SOFC发展的大势所趋。然而，降低工作温度会降低电解质的离子电导率，无法满足中低温工作的需要。氧化钪稳定氧化锆(ScSZ)是目前锆基固体电解质中离子电导率最高的电解质材料，也可称钪锆粉体，其在800℃下电导率约为0.12S·cm-1，为YSZ电导率的2倍，因此，在很大程度上可以解决YSZ在中温情况下电解质电导率低的缺点。而且，其与YSZ同属氧化锆基材料，具有近似的化学性能和高温性能，便于选用配套的电极材料，从而能在不改变现有工艺制备条件下替代YSZ电解质，成为中温SOFC的首选电解质。目前ScSZ电解质粉体的制备方法主要有固相粉碎法、水热法、溶胶-凝胶法和共沉淀法。固相粉碎法工艺简单、生产过程污染少、填充性好、成本低、易大规模生产，但会造成粉料的污染，球磨后的粒度相对较大。水热法具有产品纯度高、结晶度高、粉体粒径均一和烧结性能好等优点，但通常对设备要求高、操作复杂、能耗较大，不适于产业化。溶胶-凝胶法可以在较短的时间内获得分子水平的均匀性，实现分子水平上的均匀掺杂，但溶胶-凝胶法所需原料价格昂贵，一般需要使用有机溶剂对人体有一定的毒性，易板结。共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀，该法具有制备工艺简单、成本低和易于产业化等优点，成为大部分生产企业首选方法。但共沉淀法存在制备过程中容易发生团聚现象，造成陶瓷烧结温度高，烧结性能差等不良后果，严重影响粉体的应用性能如电导率降低。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种制备钪锆粉体的方法及装置，以解决现有技术中利用共沉淀法制备钪锆粉体存在的易团聚的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种微波/超声波辅助共沉淀法制备钪锆粉体的方法，其包括以下步骤：将含钪溶液、含锆溶液进行混合，得到钪锆混合溶液；将钪锆混合溶液置于微波反应器或超声波反应器中，然后在微波加热或超声波的作用下向其中加入沉淀剂并调节体系的pH值为7～11，以使体系进行沉淀反应，得到钪锆前驱体溶液；将钪锆前驱体溶液进行过滤，得到沉淀物；然后依次对沉淀物进行水洗、醇洗、干燥，得到钪锆前驱体；煅烧钪锆前驱体，得到钪锆粉体。进一步地，在配制钪锆混合溶液的过程中，同时向体系中加入掺杂金属氧化物的酸溶液，其中掺杂金属氧化物中的金属元素为除了钪元素以外的稀土元素、铝元素和铋元素中的一种或多种；优选地，掺杂金属氧化物为氧化铈、氧化钇、氧化铋和氧化铝中的一种或多种。进一步地，在配制钪锆混合溶液的过程中，同时向体系中加入分散剂，其中分散剂为聚烯醇类高分子聚合物、聚烯醇的铵盐、聚多元醇类高分子聚合物、聚烯酸类高分子聚合物、聚烯酸的铵盐、C2至C6的一元脂肪醇中的一种或多种；优选地，聚烯醇类高分子聚合物为聚乙烯醇和/或聚丙烯醇；聚烯醇的铵盐为聚乙烯醇铵和/或聚丙烯醇铵；聚多元醇类高分子聚合物为聚乙二醇、聚丁二醇中的一种或多种；聚烯酸类高分子聚合物为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙基丙烯酸中的一种或多种；聚烯酸的铵盐为聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、聚乙基丙烯酸铵中的一种或多种；C2至C6的一元脂肪醇为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇中的一种或多种；更优选地，分散剂为聚乙烯醇、聚丙烯醇铵、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、乙醇、丙醇中的一种或多种。进一步地，当沉淀反应在微波反应器中进行时，微波反应器的功率为10～1000W，沉淀反应的反应温度为30～250℃，搅拌速度100～2500r/min；当沉淀反应在超声波反应器中进行时，超声波反应器的超声波功率为200～2000W，优选500～1500W，沉淀反应的反应温度为30～95℃，反应时间为0.5～10h。进一步地，含钪溶液为氯化钪或硝酸钪的水溶液；含锆溶液为氯化锆、硝酸锆、氧氯化锆或硝酸氧锆的水溶液。进一步地，钪锆混合溶液中，钪锆混合溶液中，相对于钪离子、锆离子、掺杂金属氧化物对应的金属离子的总摩尔数而言，钪离子的摩尔数占比为8～13％，掺杂金属氧化物对应的金属离子的摩尔数为0.25～5％；优选地，钪锆混合溶液中，相对于钪离子、锆离子、掺杂金属氧化物对应的金属离子的总摩尔数而言，钪离子的摩尔数占比为9～11％，掺杂金属氧化物对应的金属离子的摩尔数为0.5～1.5％。进一步地，分散剂的加入量为钪锆混合溶液溶质总重量的1～10％，优选为2～6％。进一步地，沉淀剂为氨水、碳酸氢铵、氢氧化钠、尿素中的一种或多种。进一步地，煅烧钪锆前驱体的过程中，煅烧温度为600～1200℃，煅烧时间为1～10h。进一步地，醇洗过程采用的是酒精，干燥过程中的干燥温度为80～200℃。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种制备钪锆粉体的装置，其包括：第一供应单元，用于供应聚烯醇类高分子聚合物、聚烯醇的铵盐、聚多元醇类高分子聚合物、聚烯酸类高分子聚合物、聚烯酸的铵盐或C2至C6的一元脂肪醇作为分散剂；第二供应单元，用于供应含有钪离子和锆离子的溶液；第三供应单元，包括掺杂金属氧化物供应仓、酸溶液供应单元和溶解单元，掺杂金属氧化物供应仓用于供应掺杂金属氧化物，掺杂金属氧化物的金属元素为除了钪元素以外的稀土元素、铝元素或铋元素，酸溶液供应单元用于供应酸，溶解单元分别与掺杂金属氧化物供应仓和酸溶液供应单元相连，用于将掺杂金属氧化物溶解于酸中形成掺杂金属酸溶液；第一混合单元，分别与第一供应单元、第二供应单元和溶解单元相连，用于将分散剂、掺杂金属酸溶液和含有钪离子和锆离子的溶液混合，以得到钪锆混合溶液；第四供应单元，用于供应沉淀剂；微波或超声波反应器，分别与第一混合单元和第四供应单元相连，用于使钪锆混合溶液在微波加热或超声波的条件下进行共沉淀反应，以得到沉淀物料；过滤单元，与微波或超声波反应器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备钪锆粉体的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将含钪溶液、含锆溶液进行混合，得到钪锆混合溶液；/n将所述钪锆混合溶液置于微波反应器或超声波反应器中，然后在微波加热或超声波的作用下向其中加入沉淀剂并调节体系的pH值为7～11，以使体系进行沉淀反应，得到钪锆前驱体溶液；/n将所述钪锆前驱体溶液进行过滤，得到沉淀物；然后依次对所述沉淀物进行水洗、醇洗、干燥，得到钪锆前驱体；/n煅烧所述钪锆前驱体，得到所述钪锆粉体。/n

【技术特征摘要】
1.一种制备钪锆粉体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将含钪溶液、含锆溶液进行混合，得到钪锆混合溶液；
将所述钪锆混合溶液置于微波反应器或超声波反应器中，然后在微波加热或超声波的作用下向其中加入沉淀剂并调节体系的pH值为7～11，以使体系进行沉淀反应，得到钪锆前驱体溶液；
将所述钪锆前驱体溶液进行过滤，得到沉淀物；然后依次对所述沉淀物进行水洗、醇洗、干燥，得到钪锆前驱体；
煅烧所述钪锆前驱体，得到所述钪锆粉体。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在配制所述钪锆混合溶液的过程中，同时向体系中加入掺杂金属氧化物的酸溶液，其中所述掺杂金属氧化物中的金属元素为除了钪元素以外的稀土元素、铝元素和铋元素中的一种或多种；优选地，所述掺杂金属氧化物为氧化铈、氧化钇、氧化铋和氧化铝中的一种或多种。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在配制所述钪锆混合溶液的过程中，同时向体系中加入分散剂，其中所述分散剂为聚烯醇类高分子聚合物、聚烯醇的铵盐、聚多元醇类高分子聚合物、聚烯酸类高分子聚合物、聚烯酸的铵盐、C2至C6的一元脂肪醇中的一种或多种；
优选地，所述聚烯醇类高分子聚合物为聚乙烯醇和/或聚丙烯醇；所述聚烯醇的铵盐为聚乙烯醇铵和/或聚丙烯醇铵；所述聚多元醇类高分子聚合物为聚乙二醇、聚丁二醇中的一种或多种；所述聚烯酸类高分子聚合物为聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚乙基丙烯酸中的一种或多种；所述聚烯酸的铵盐为聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、聚乙基丙烯酸铵中的一种或多种；所述C2至C6的一元脂肪醇为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇中的一种或多种；
更优选地，所述分散剂为聚乙烯醇、聚丙烯醇铵、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯酸铵、聚甲基丙烯酸铵、乙醇、丙醇中的一种或多种。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，当所述沉淀反应在所述微波反应器中进行时，所述微波反应器的功率为10～1000W，所述沉淀反应的反应温度为30～250℃，搅拌速度100～2500r/min；当所述沉淀反应在所述超声波反应器中进行时，所述超声波反应器的超声波功率为200～2000W，优选500～1500W，所述沉淀反应的反应温度为30～95℃，反应时间为0.5～10h。


5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述含钪溶液为氯化钪或硝酸钪的水溶液；所述含锆溶液为氯化锆、硝酸锆、氧氯化锆或硝酸氧锆的水溶液。


6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述钪锆混合溶液中的阳离子浓度为0.01～2mol/L，优选为0.1～0.5mol/L。


7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钪锆混合溶液中，所述钪锆混合溶液中，相对于钪离子、锆离子、所述掺杂金属氧化物对应的金属离子的总摩尔数而言，钪离子的摩尔数占比为8～13％，所述掺杂金属氧化物对应的金属离子的摩尔数为0.25～5％；
优选地，所述钪锆混合溶液中，相对于钪离子、锆离子、所述掺杂金属氧化物对应的金属离子的总摩尔数而言，钪离子的摩尔数占比为9～11％，所述掺杂金属氧化物对应的金属离子的摩尔数为0.5～1.5％。


8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分散剂的加入量为所述钪锆混合溶液溶质总重量的1～10％，优选为2～6％。


9.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述沉淀剂为氨水、碳酸氢铵、氢氧化钠、尿素中的一种或多种。


10.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，煅烧所述钪锆前驱体的过程中，煅烧温度为600～1200℃，煅烧时间为1～10h。


11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述醇洗过程采用的是酒精，所述干燥过程中的干燥温度为80～200℃。


12.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓艳，王玮玮，付云枫，付国燕，刘召波，李诺，
申请(专利权)人：中国恩菲工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11