一种掺杂氧化铈纳米粉末及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂氧化铈纳米粉末及其制备方法。该掺杂氧化铈纳米粉末是符合Ｃｅ↓［１－ｘ］Ｇｄ↓［ｘ－ｙ］Ｙ↓［ｙ］Ｏ↓［２－０．５ｘ］化学计量比的氧化铈、氧化钆和氧化钇的复合氧化物，其晶粒粒径为８－１００ｎｍ；其中，０．１≤ｘ≤０．２，０＜ｙ＜ｘ。它可按照下述方法制备：（１）将硝酸铈、硝酸钆和硝酸钇按照１－ｘ∶ｘ－ｙ∶ｙ的摩尔比溶解于水中，配成金属离子混合溶液，其中，０．１≤ｘ≤０．２，０＜ｙ＜ｘ；然后向所述金属离子混合溶液中加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子铈、钆和钇离子的总摩尔比为１∶１－２；（２）将步骤（１）得到的溶液在８０－１００℃加热得到干凝胶；（３）使步骤（２）获得的干凝胶自蔓延燃烧，得到粉体；（４）将步骤（３）获得的粉体在５００－１０００℃空气中热处理１－２ｈ，得到不同粒径、不同比表面积的钆、钇复合掺杂氧化铈粉末。该粉末可用于中温固体氧化物燃料电池的电解质材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
掺杂氧化铈(DCO)是一种氧离子导体，由于它在中温(600℃～800℃)下具有比稳定化ZrO2更高的离子电导率，比掺杂LaGaO3更低的价格，原料易得等优点，被认为是中温固体氧化物燃料电池的首选电解质材料之一。优质的粉体是制备CeO2基陶瓷的基础。通常要求粉体组成均匀，超细，粒径分布窄，无团聚或少团聚，以便尽可能降低陶瓷的烧结温度，提高陶瓷的性能。制备掺杂氧化铈的方法有很多，如固相反应法、化学共沉淀法、水热法以及溶胶-凝胶法等。固相反应法制备技术简单，成本低，但固相法制备的粉体的化学均匀性较差，且不易获得单一的晶相；化学共沉淀法工艺简单，操作方便，成本低，制得的掺杂氧化铈粒子均匀，易调节，易于工业化生产，缺点是沉淀法的水洗困难；水热法设备仪器昂贵，且高压操作不易工业化生产；溶胶-凝胶技术具有原料分子水平混合，生成物组成及离子代换容易控制，粒度分布窄等特点，但合成粉体需较高温度，粉体可能发生团聚。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。本专利技术所提供的掺杂氧化铈纳米粉末，是符合Ce1-xGdx-yYyO2-0.5x化学计量比的氧化铈、氧化钆和氧化钇的复合氧化物，其晶粒粒径为8-100nm；其中，0.1≤x≤0.2，0＜y＜x。该掺杂氧化铈纳米粉末可按照包括下述步骤的方法制备(1)将硝酸铈、硝酸钆和硝酸钇按照1-x∶x-y∶y的摩尔比溶解于水中，配成金属离子混合溶液，其中，0.1≤x≤0.2，0＜y＜x；然后向所述金属离子混合溶液中加入柠檬酸，使柠檬酸与金属离子铈、钆和钇离子的总摩尔比为1∶1-2；(2)将步骤(1)得到的溶液蒸发除去水分，得到干凝胶；(3)使步骤(2)获得的干凝胶自蔓延燃烧，得到粉体；(4)将步骤(3)获得的粉体在500-1000℃空气中热处理，得到不同晶粒粒径、不同比表面积的钆、钇复合掺杂氧化铈粉末。上述步骤(1)中用于溶解硝酸铈、硝酸钆和硝酸钇的水最好为去离子水。所述步骤(2)中的蒸发可在常温下进行，为了加快蒸发速度，所述蒸发温度可为80-100℃，优选为90℃。步骤(4)中的热处理时间可为1-2h。可使步骤(2)获得的干凝胶自蔓延燃烧的现有方法均可选用，如将干凝胶入煅烧炉中加热至200℃，干凝胶发生自蔓延燃烧，得到粉体。上述方法制备的钆、钇复合掺杂氧化铈粉末的晶粒粒径为8-100nm。本专利技术利用溶胶凝胶-燃烧法的工艺特点，通过优化工艺参数，调整柠檬酸和金属离子的比例，使其充分燃烧直接得到钆、钇复合掺杂氧化铈纳米粉末。本专利技术的制备掺杂氧化铈纳米粉末的方法，基于氧化-还原反应原理，其中硝酸根离子作为氧化剂，柠檬酸作为络合剂及燃料。柠檬酸与铈、钆、钇等离子作用，形成络合物，因此反应物以原子水平混合，有效缩短了扩散距离，大幅降低了反应温度，有利于反应快速进行。反应过程简便，无需高压设备，后续热处理温度不超过1000℃，热处理时间小于2h。产物纯度高，粒度可控，粒度分布窄。通过控制柠檬酸的加入量，调节后续热处理温度和时间，可以控制钆、钇复合掺杂氧化铈的晶粒粒径(8-100nm)和比表面积(10-65m2/g)。工艺过程简单，制备参数易于控制，重复性好，可以规模化合成，所用设备简单，而且反应物处于高度均匀分散状态，合成过程中化合物形成温度低，使得产物粒径小，分布比较均匀。本专利技术的钆、钇复合掺杂氧化铈粉末可用于中温固体氧化物燃料电池的电解质材料。具体实施例方式本专利技术的主要实施过程是(1)以硝酸铈、硝酸钆和硝酸钇为起始原料，将硝酸铈、硝酸钆和硝酸钇溶解于水中，配成符合铈、钆和钇离子的摩尔比为1-x∶x-y∶y的金属离子混合溶液，其中，0.1≤x≤0.2，0＜y＜x。充分混匀后加入柠檬酸络合剂，该柠檬酸与金属离子铈、钆和钇的总摩尔比为1∶1-2，溶液混合后形成络合物，柠檬酸作为络合剂，兼作燃料用；(2)将溶液放在水浴中加热蒸发，控制温度80-100℃，连续搅拌5-8小时形成透明的溶胶，然后将此溶胶进一步加热，形成干凝胶；(3)将获得的干凝胶研磨后放入煅烧炉中加热至200℃，干凝胶粉体发生自蔓延燃烧，得到合成的粉体。(4)将上述(1)、(2)、(3)步骤所得到的粉体在500-1000℃空气中热处理1-2h，得到不同粒径、不同比表面积的钆、钇复合掺杂氧化铈粉末。以下通过实施例进一步阐明本专利技术的特点，但不局限于实施例。下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。实施例1、制备符合Ce0.8Gd0.05Y0.15O1.9的化学计量比的钆、钇复合掺杂氧化铈粉末按铈、钆和钇离子的摩尔比为0.8∶0.05∶0.15的化学计量比，称取硝酸铈、硝酸钆和硝酸钇，溶解于去离子水中，不断搅拌使其充分溶解之后加入柠檬酸，该柠檬酸与金属离子铈、钆和钇的总摩尔比为1∶1.2。将溶液放在水浴中加热蒸发，控制温度90℃，连续搅拌6小时形成透明的溶胶，然后将此溶胶进一步加热，形成干凝胶。将获得的干凝胶研磨后放入煅烧炉中加热至200℃，干凝胶粉体发生自蔓延燃烧，得到合成的粉体，再将获得的粉体升温至500℃保温2h，得到粉末。经等离子体发射光谱仪分析测定，该粉末中铈、钆和钇的摩尔比是0.8∶0.05∶0.15，即该粉末为Ce0.8Gd0.05Y0.15O1.9纳米粉末。在JEM2010透射电子显微镜下观察粉末，其最大晶粒粒径为11nm，最小晶粒粒径为8nm，平均晶粒粒径尺寸为9nm，达到纳米量级。经测定，粉末的平均比表面积为65.4m2/g。将Ce0.8Gd0.05Y0.15O1.9纳米粉末干压成直径12mm，厚度1mm的圆片，在程控升温箱式电炉中烧结，烧结条件为1250℃保温4h，升降温速度均为4℃/min。烧结后的圆片经CHI660B电化学工作站(上海辰华仪器公司)的交流阻抗分析测定，其在500℃、600℃和700℃空气气氛中的离子电导率分别为0.011、0.034、0.074S/cm。实施例2、制备符合Ce0.8Gd0.1Y0.1O1.9的化学计量比的钆、钇复合掺杂氧化铈粉末按铈、钆和钇离子的摩尔比为0.8∶0.1∶0.1的化学计量比，称取硝酸铈、硝酸钆和硝酸钇，溶解于去离子水中，不断搅拌使其充分溶解之后加入柠檬酸络合剂，该柠檬酸与金属离子铈、钆和钇的总摩尔比为1∶1.5。将溶液放在水浴中加热蒸发，控制温度80℃，连续搅拌8小时形成透明的溶胶，然后将此溶胶进一步加热，形成干凝胶。将获得干凝胶研磨后放入煅烧炉中加热至200℃，干凝胶粉体发生自蔓延燃烧，得到合成的粉体，再将获得的粉体升温至600℃保温2h，得到粉末。经等离子体发射光谱仪分析测定，该粉末中铈、钆和钇的摩尔比是0.8∶0.1∶0.1，即该粉末为Ce0.8Gd0.1Y0.1O1.9纳米粉末。在JEM2010透射电子显微镜下观察粉末，其最大晶粒粒径为23nm，最小晶粒粒径为18nm，平均晶粒粒径尺寸为20nm，达到纳米量级。经测定，粉末的平均比表面积为45.3m2/g。将Ce0.8Gd0.1Y0.1O1.9纳米粉末干压成直径12mm，厚度1mm的圆片，在程控升温箱式电炉中烧结，烧结条件为1250℃保温4h，升降温速度均为4℃/min。烧结后的圆片经CHI660B电化学工作站(上海辰华仪器公司)的交流阻抗分析测定，其在500℃、600℃和7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂氧化铈纳米粉末，是符合Ｃｅ↓［１－ｘ］Ｇｄ↓［ｘ－ｙ］Ｙ↓［ｙ］Ｏ↓［２－０．５ｘ］化学计量比的氧化铈、氧化钆和氧化钇的复合氧化物，其晶粒粒径为８－１００ｎｍ；其中，０．１≤ｘ≤０．２，０＜ｙ＜ｘ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周和平，关翔锋，刘志辉，王亚楠，张郡，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]