具有高氧迁移的基于铈-锆氧化物的氧离子导体(CZOIC)材料制造技术

一种基于铈

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高氧迁移的基于铈
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锆氧化物的氧离子导体(CZOIC)材料


[0001]本公开大体涉及基于铈
‑
锆氧化物的离子导体(CZOIC)材料，该材料用作氧传感器、用于固体氧化物燃料电池中、用作催化剂或用于其他需要快速氧迁移和传导的应用中。

技术介绍

[0002]本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，可能不构成现有技术。在三元转化(TWC)催化剂中，基于铈
‑
锆氧化物的离子导体(CZOIC)材料被广泛用作储氧材料。为在该应用中获得成功，CZOIC材料需展现出高储氧能力、高度的在宽泛温度范围内(例如一直到1150℃)的烧结抗性，形成中孔以展现出有效的传质特性，并提供与贵金属的兼容性。容易进行的氧迁移是对CZOIC材料的另一个重要要求。在废气中出现的为防止CO/HC突破的快速环境变化期间，尤其是在加速期间，氧迁移对于氧气的释放和再吸附都至关重要。
[0003]CZOIC材料的氧迁移取决于多种因素的相互作用，所述多种因素如氧化物组成、存在的稀土掺杂剂的类型和数量、晶相(如四方晶相、立方晶相、烧绿石等)和微晶尺寸。在过去25年中有关对CZOIC材料的氧迁移的广泛研究使得开发出允许TWC催化剂在300
‑
600℃温度范围内有效运行的材料。
[0004]然而，有关CO、NO
x
、HC和烟灰排放水平的新的严格要求使得有必要寻找新的CZOIC材料，该材料展现出在显著较低的温度下(理想地在室温下)氧在材料的晶格结构内迁移和CeO2减少容易进行的性质。这种具有快速氧迁移的新CZOIC材料的研发不仅对于TWC催化剂应用很重要，对于在固体氧化物燃料电池(SOFC)中用作电解质也很重要，在该固体氧化物燃料电池(SOFC)中，还要求在低温下的高传导性。
[0005]从本文的描述将明显看出可应用的其他领域。应当理解，此处的描述及具体实施例仅用作说明目的，不用作限制本公开的范围。
附图说明
[0006]为使本公开被更好地理解，现将通过参考附图描述以示例方式给出的各种形式，其中：
[0007]图1为本公开的具有不同平均颗粒大小(d
50
)的两种CZOIC材料(CZ
‑
1，CZ
‑
2)与二氧化铈
‑
氧化锆参照材料(CZ
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参照)相比在1000℃老化六小时后的TPR
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H2图谱的图示；
[0008]图2为CZOIC材料(CZ
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1)的TPR
‑
H2图谱的图示，连续运行以确定测得的T
max
的稳定性；
[0009]图3为在存在和不存在本公开中的CZOIC材料或二氧化铈
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氧化锆参照材料的情况下炭黑氧化的微商热重分析(DTG)曲线的图示；
[0010]图4为由选区电子衍射(SAED)测量的二氧化铈
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氧化锆参照材料的晶体结构的图示；
[0011]图5为由选区电子衍射(SAED)测量的本公开的CZOIC材料的晶体结构的图示；和
[0012]图6为由选区电子衍射(SAED)测量的本公开的另一CZOIC材料的晶体结构的图示。
[0013]本文所描述的附图仅用于说明目的，无意于以任何方式对本公开的范围进行限制。
具体实施方式
[0014]以下描述本质上仅是示例，且无意于限制本公开或其应用或用途。例如，在本公开通篇中描述了根据其中包含的教导制造和使用的基于铈
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锆氧化物的离子导体(CZOIC)材料，同时还描述了用于减少车辆排放气体的三元催化剂(TWC)，其目的是更加全面说明其组成及用途。在用于除去来自汽油或柴油发动机的HC、CO、NO
x
和烟灰的其他催化剂、柴油氧化催化剂和其他氧化催化剂或在其他应用如在固体氧化物燃料电池(SOFC)中使用的氧传感器或电解质中加入和使用所述CZOIC材料被认为在本公开的范围内。应当理解，在整个说明书中，相应的附图标记表示相同或相应的部件和特征。
[0015]本公开大体提供一种基于铈
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锆氧化物的离子导体(CZOIC)材料，该材料展示出的结构包括一个或多个膨胀晶胞和多个具有有序纳米域的微晶。所述CZOIC材料可以包含氧化锆、氧化铈和至少一种除铈以外的稀土金属的氧化物，由氧化锆、氧化铈和至少一种除铈以外的稀土金属的氧化物组成，或者基本由氧化锆、氧化铈和至少一种除铈以外的稀土金属的氧化物组成。CZOIC材料可以包含氧化铈和氧化锆，使得该材料包含的铈与锆的质量比(Ce:Zr)范围为约0.2至约1.0。或者，所述铈与锆的质量比范围为0.3至0.9；或者，所述铈与锆的质量比范围为0.4至0.8。
[0016]就本公开的目的而言，本文中的术语“至少一个/种”和“一个/种或多个/种”可互换使用且可以具有相同的含义。这些术语当指单个元素或多个元素时，也可以由元素末尾的后缀“(s)”表示。例如，“至少一个晶胞”、“一个或多个晶胞”和“一个或多个晶胞(unit cell(s))”可互换使用且旨在具有相同的含义。
[0017]就本公开的目的而言，由于本领域技术人员已知的预期变化(例如，测量的局限性和变异性)，在本文中对于可测量的数值和范围使用术语“约”和“基本上”。
[0018]此外，在本文中以“在[第一数字]和[第二数字]之间”或者“在[第一数字]至[第二数字]之间”表述的任何参数范围均包括所述及的数字。换言之，该范围意在相似地解释为指定为“从[第一个数字]至[第二个数字]”的范围。
[0019]所述CZOIC材料的氧化锆含量相对于所述CZOIC材料总重量为在约5wt.％和95wt.％之间。在需要时，所述CZOIC材料的氧化锆含量范围相对于所述CZOIC材料的总重量可以为从10wt.％至90wt.％或者在约20wt.％和约80wt.％之间。所述CZOIC材料中的氧化铈含量范围相对于所述CZOIC材料的总重量还可以是从5wt.％至95wt.％，或者在约10wt.％至约90wt.％之间，或者从约20wt.％至约80wt.％。
[0020]就本公开的目的而言，术语“重量”是指质量值，如具有克、千克等单位的质量值。此外，通过端点对数值范围的表述包括端点及该数值范围内的所有数字。例如，以重量计40％至以重量计60％的浓度范围(也写作40wt.％至60wt.％)包括以重量计40％、以重量计60％以及二者之间的所有浓度(例如，40.1％、41％、45％、50％、52.5％、55％、59％等)。
[0021]根据本公开的另一方面，所述CZOIC中存在的除了铈(Ce)之外的至少一种稀土金属可以包括镝(Dy)、铒(Er)、铕(Eu)、钆(Gd)、钬(Ho)、镧(La)、镥(Lu)、钕(Nd)、镨(Pr)、钷(Pm)、钐(Sm)、钪(Sc)、铽(Tb)、铥(Tm)、镱(Yb)、钇(Y)或其混合物。或者，所述C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种基于铈
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锆氧化物的离子导体(CZOIC)材料，包含：以所述CZOIC材料的总重量为基础，含量范围为5wt.％至95wt.％的氧化锆、含量范围为95wt.％至5wt.％的氧化铈、以及含量范围为30wt.％或更少的除铈以外的稀土金属的至少一种氧化物；其中所述CZOIC材料展示出的结构包含一个或多个膨胀晶胞和多个具有有序纳米域的微晶。2.根据权利要求1所述的CZOIC材料，其中，所述CZOIC材料包含的铈与锆的质量比(Ce:Zr)为约0.2至约1.0。3.根据权利要求1或2中任一项所述的CZOIC材料，其中，所述稀土金属选自镧(La)、钕(Nd)、镨(Pr)、钇(Y)或其组合的组。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的CZOIC材料，其中，所述CZOIC材料的结构展示出由使用SAED技术在多个(hkl)位置测量的d值所定义的表现出畸变的晶格，使得相同(hkl)位置的d值与参照铈
‑
锆材料在相同(hkl)位置测量的d值相差约2％至约5％。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的CZOIC材料，其中，所述CZOIC材料展示出快速氧离子迁移和传导，表现为出现通过TPR
‑
H2测量的在250℃或更低的温度出现的T
max
。6.根据权利要求1
‑
5中任一项所述的CZOIC材料，其中，所述CZOIC材料在1000℃老化六小时后展示出快速氧离子迁移和传导，表现为出现通过TPR
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H2测量的在250℃或更低的温度出现的T
max
。7.根据权利要求1
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6中任一项所述的CZOIC材料，其中，所述CZOIC材料展示出快速氧离子迁移和传导，表现为出现通过TPR
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H2测量的在低于400℃的温度存在至少80％或更多的可还原氧。8.根据权利要求1
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7中任一项所述的CZOIC材料，其中，所述CZOIC材料展示出快速氧离子迁移和传导，表现为在低于500℃氧化炭灰或烃的能力。9.根据权利要求1
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8中任一项所述的CZOIC材料，其中，所述CZOIC材料展示出快速氧离子迁移和传导，表现为至少10％的储氧容量(OSC)可用于一氧化碳(CO)在300℃或低于300℃的氧化。10.根据权利要求8所述的CZOIC材料，其中，所述氧化烃的能力表示在低于300℃氧化饱和烃的能力。11.根据权利要求1
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10中任一项所述的CZOIC材料在三元催化剂、四元催化剂或柴油氧化催化剂中的用途。12.一种包含储氧材料的三元转化(TWC)催化剂，所述储氧材料包含根据权利要求1
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10中任一项所述的CZOIC材料。13....

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：太平洋工业发展公司，
类型：发明
国别省市：