金属氧化物纳米颗粒及其制备方法技术

公开了一种制备金属氧化物纳米颗粒的方法。该方法包括步骤：ａ）提供至少两种前体金属盐材料，ｂ）使至少两种前体金属盐材料通过等离子体焰炬以形成气化材料，和然后ｃ）冷凝气化材料形成金属氧化物纳米颗粒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
专利技术涉及金属氧化物纳米颗粒及制备金属氧化物纳米颗粒的方法。
技术介绍
合成稳定的纳米结构材料已成为学术和工业部门近来研究努力的 重点。这些材料可用于各种应用中，包括高温半导体及用于多相催化 剂的载体材料。取决于应用，需要高水平的组成和形貌控制，及热稳 定性。例如，通常納米结构的混合金属氧化物用作车用三效催化剂中 的催化载体。在三效催化剂中存在的常规金属氧化物材料，例如通过 水相沉积制得的A1203 ， Zr02和Ce02将典型地保持其高的表面积050ni7g)至多到80ox:，但当暴露于超过ioooic的温度时，显示出表 面积显著减少并且表现出相变。该表面积的减少能加速贵金属的烧结 并导致催化剂效率的严重降低。因此，本领域中需要高度热稳定的金属氧化物颗粒及制备这种金 属氧化物颗粒的方法。专利技术概述公开了一种制备金属氧化物纳米颗粒的方法。所述方法包括以下步骤a)提供至少两种前体金属盐材料，b)使至少两种前体金属盐材 料通过等离子体焰炬以形成气化材料，和然后c)冷凝气化材料形成金属氧化物纳米颗粒。 附图简要说明图l显示了具有多样化表面的75%氧化铈，25。/。氧化铝微米尺寸颗粒的电子显微图像。图2显示了 Ce02/Zr02核和人1203壳纳米颗粒的电子显微图像。图3显示了氧化钛和氧化铝纳米颗粒的电子显微图像。图4是用于本专利技术方法的实验设备示意图。图5是通过实验设备生成的Al-Ce氧化物材料的粒径分布实例。图6概括了用不同操作条件获得的x-射线衍射图像。图7显示了通过微波等离子体焰炬生成的微米尺寸颗粒的电子显微图像。图8显示了通过微波等离子体焰炬生成的空心微米尺寸颗粒的电 子显微图像。图9显示了通过微波等离子体焰炬生成的纳米颗粒和团聚的纳米颗粒的电子显微图像。附图说明图10显示了单个核-壳纳米颗粒的放大的电子显微图像。图11显示了通过微波等离子体焰炬生成的核壳纳米颗粒的电子显微图像。图12显示了在氢气中在等离子体后处理(post-plasma treatment)后的氧化铈/氧化铝材料的x-射线衍射图像。图13显示了在氢气中在等离子体后处理后的氧化铈/氧化铝钙钛矿型材料的电子显微图像。图14显示了空心微米尺寸颗粒和纳米颗粒形成机理的示意图。优选实施方案的详细描述本专利技术的方法提供新的可替换的液相沉积金属氧化物颗粒的方 法。所述方法包括提供至少一种前体金属材料。然后，使该前体金属 材料通过等离子体焰炬形成气化材料。然后，冷凝气化材料形成金属氧化物纳米颗粒。在本专利技术的一个方面，前体金属材料可以是包括镁、铝、硅、钛、 铁、铜、锌、钇、锆、镧、铈、镨、钕或镝盐的金属盐。所述盐可以 是硝酸盐、醋酸盐或两者的混合物或任何其他的盐如氯化物、草酸盐 和丁醇盐。所列出的盐并不排除其它可用于本专利技术的许多金属盐。任 何金属盐都可用于本专利技术的方法中。前体金属材料能以湿气溶胶或干 气溶胶形式提供给等离子体焰炬。湿气溶胶可以是在溶剂中溶解有金 属盐的液体。可用于本专利技术的各种溶剂包括水、有机非极性液体例如 己烷和有机极性液体如甲醇、各种醚或酸。在本专利技术的一个方面，可 使用水作为溶剂。干气溶胶可由具有100nm-5mm粒径范围的前体金属材料的干粉形 成。在本专利技术的一个方面，千粉可由金属前体盐溶液进行沉积、然后 干燥和压碎形成干粉。利用载气将前体金属材料提供给等离子体焰炬。载气可以是惰性 气体、氧气、氮气或以上的混合物。金属前体材料可分散在栽气中并 以lcm7min-10L/min的速率供料给等离子体焰炬。当所给定的流速用 于实施本专利技术的实验设备时，应意识到不同流速可用于本专利技术方法的 不同尺寸应用中。可使用DC放电、射频能量或微波能量产生等离子体焰炬的等离子 体。可使用200-100,000瓦特的功率产生等离子体。等离子体获得的 温度超过3000X:。在本专利技术的一个方面，等离子体焰炬可以是在大气 压下操作的微波等离子体焰炬。对于材料合成，等离子体焰炬比竟争技术具有一些优点。传统液 相方法依赖在或接近室温条件下的自然结晶过程以形成金属氧化物颗 粒。这种方法非常难以控制，并且获得的产物由在过程温度下热动力 学有利的相决定。相反，在本专利技术中描述的基于等离子体的方法在可 供形成单一材料相的极端高温下的气相中进行操作。此外，颗粒的快 速冷却为形成不是热动力学最稳定的相创造了条件。此外，通过改变 过程的参数，能控制金属氧化物颗粒的平均粒径到使用沉积技术不能获得的小于io纳米。当在焰炬的热区域时，金属前体汽化并完全混合。 一旦材料离开 热区域，其极快冷却并冷凝形成具有纳米尺度尺寸的金属氧化物颗粒。 形成的纳米颗粒包括实心颗粒、空心颗粒、核-壳颗粒和具有多样化表面的颗粒。此外，纳米颗粒具有lm7g-500mVg的表面积，并且当用于 车用催化剂时，相对于现有技术基于液体沉积的金属氧化物，如上所 述显示出在高温下的改善的热持久性，避免了烧结问题。在本专利技术的 方法中形成的纳米颗粒可在高温下进一步暴露在还原气氛中以形成钾 钛矿型材料。此外，通过本专利技术方法形成的纳米颗粒可分离或过滤得 到各种粒径。在本专利技术的一个方面，可使用气旋式过滤器分离纳米颗 粒。本专利技术可使用各种前体金属材料的组合，通过上述方法生成各种 结构的纳米颗粒。如上所述，纳米颗粒可具有实心结构、空心结构、核-壳结构或多 样化表面结构。前体金属材料可以是铝盐和铈盐，形成具有由氧化铝壳包围氧化 铈核的纳米颗粒。此外，可利用铝盐和铈盐形成具有氧化铈和氧化铝 的多样化表面的纳米颗粒。可通过调节过程参数形成各种结构以形成 不同材料。例如，通过调节前体金属材料的化学计量比为75%铈和25% 铝(以粉末形式，由含水干燥(water-dried)的前体制备的)，导致具 有多样化表面的空心微米尺寸的颗粒，如图1所示。颗粒具有存在于 颗粒表面上的离散的Ce02和Ah03斑点。前体金属材料也可是铝盐、铈盐和锆盐。形成的最终纳米颗粒具 有由氧化铝壳包围的氧化铈和氧化锆核，如图2所示。此外，前体金属材料也可是铝盐和钛盐。如图3所示的最终纳米 颗粒可具有由氧化铝壳包围的氧化钛核，或可以是氧化钛和氧化铝的固溶体。前体金属材料可以是铈盐和锆盐。形成的最终纳米颗粒具有氧化 铈和氧化锆的实心结构。前体金属材料可以是铈盐和钛盐。最后形成的納米颗粒具有氧化 铈和氧化钛的实心结构，或具有氧化钛壳的实心氧化铈核。前体金属材料可以是锆盐和铝盐。形成的最终纳米颗粒具有氧化 锆和氧化铝的实心结构。实施例等离子体焰炬-在图4中示出了用于实施例的焰炬系统。对于液体 前体，对供料系统进行了修改。使用超声波浴以产生薄雾，然后通过 载气将薄雾吹扫进焰炬中。通常，使用900瓦特的微波能量，氩等离 子体气体流速为2，5slpm。使用氩气和氧气的组合作为气溶胶载气， 流速分别为0. 52slpm(Ar)和5-6slpm (02)。在少数情况下，如所指出 的，使用500瓦特和/或使用纯氩气作为载气。产生方法-使用不同的前体方法。在一种情况下，使用干粉气溶胶， 在另一情况下，使含有溶解的盐的水溶液直接通过焰炬。这里报告的 所有情况中，前体中铝/铈的摩尔比是1: 1。用于第一干燥气溶胶技术(方法B)的前体来自由铈和铝的硝酸盐 制得的等摩尔Ce/Al水溶液。然后本文档来自技高网...

【技术保护点】
制备金属氧化物纳米颗粒的方法，其包括步骤：　ａ）提供至少两种前体金属盐材料；　ｂ）使所述至少两种前体金属盐材料通过等离子体焰炬以形成气化材料；　ｃ）冷凝气化材料形成金属氧化物纳米颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：PT范森，J菲利普斯，C吕尔斯，
申请(专利权)人：丰田发动机工程及制造北美公司，新墨西哥大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]