具有特定表面性质的稀土氧化物粉体及其制备方法研究

韦世强，张亮玖，周慧荣

（广西国盛稀土新材料有限公司，广西 崇左 532200）

随着科技的不断发展，稀土氧化物在电极、催化、荧光等各种材料中的使用引起了人们的高度重视，并进行了全面应用。在此其中，当CeO2与非化学比CeO2-x在不一样的氧分压条件下进行加热的时候，他们会产生的可逆转换。在这一环节中，Ce原子的亚晶格结构依旧是以前的结构。这一特性使它变为了燃料电池中最良好的电极材料。除此以外，氧化铈还可用作催化剂的载体材料，在环境保护以及工业生产中进行使用。比如：氧化铈好比汽车尾气净化三元催化剂内的重要部分，与此同时，它还能对乙醇分解以及催化。同时，氧化铈还能够在玻璃门窗以及化妆品的紫外线吸收添加剂中进行使用。

1 研究的内容

开展本次研究的主要目的是对特定表面性质的稀土族元素氧化物粉体制备方式进行研究和阐述。文章所讲解的稀土族元素的氧化物粉体主要包含了表面是{100}和{110}的晶体表面的颗粒。具体的制备包含了以下几个流程：

（1）把稀土放入能够真空的加热设备中，在完成抽真空以后在设备中加入氢气与惰性气体混合物。在此其中，氢气含量通常不低于10%。假如缺少氢的作用，或者因为添加的氢不充足造成氢的效果不明显，那么稀土元素蒸气因为在过饱和状态下迅速凝结，就不能得出本篇文章所供应的{100}和{110}的晶面、拥有特定表面性质的稀土氢化物粉末。但是，惰性气体的关键作用是减少由于加热设备气密性泄漏引起的氢气爆炸事故的毁坏力。在惰性气体中主要包含了化学元素周期表中的全部惰性气体，如：氩气、氦气、氡气等等。

（2）在氢与惰性气体的混合物中，向稀土中加入热量引起蒸发，其反应公式为：

稀土蒸汽从加热区分离出来，成核并且凝结成粉末颗粒：

在此其中，UFPs表示为超微粉体。当粉体冷却时，它们开始吸收氢形成稀土氢化物并释放热量：

释放的热量减缓了颗粒冷却的速度，使它们有足够的时间可以在冷却的这一环节形成晶体，以此来得到表面特定晶面的形成，外表较为规则的稀土氢化物粉末：

因为稀土氧化物以及氧化物这两者之间具有良好的晶格匹配联系（都包含了面心立方结构，并且晶格失配率不超过3%），所以，最终的氧化物有效保留了中间氢化物的粒子几何结构。其中，在稀土氧化物粉末中的几何形状伴随使用稀土元素的不同与制备环节氢含量等技术参数的不同而不同。

此外，在步骤(5)中，氧化效果与氧含量、升温的程度、氢化物粉末的颗粒大小有关。总的来说，对本质一样的稀土元素来说，氢化物粉末的粒径如果越小，那么它的表面积也就越大，并且活性也就越来越高，在低氧或低温条件下可以被氧化。氢化物粉体粒径太大，比表面积小，反应活性低，在高氧或高温条件下才能被完全氧化。

本篇文章研究的作用主要是，将稀土金属当成主要的原材料，在具有氢气氛的状况下让他蒸发，制备了氢化常规粉体并进行了氧化，在此过程中都是干式反应，不仅简单，并且需求的设备也极为简单，同时没有污染，适合在大规模的工业生产中使用。此外，与当前广泛使用的溶液合成法和固体粉碎法生产CeO2超细粉体相比较，这一方式制备的氧化物粉体表面都拥有对{100}和{110}高催化活性的晶体颗粒，然而现如今所使用的制备技术制备而成的产品表明通常都是化学惰性的{111}面例如氧化铈。早前就有研究表示，添加有晶体表面以及表面性质的氧化铈纳米材料和其他材料进行对比，前者拥有更好的催化效果。

2 研究方式

如图所示，研究通过具体实施例更详细地描述。

2.1 实施例1

制备表面为{100}和{110}的氧化铈超细粉体的工艺流程如下：

（1）把稀土铈置于真空等离子体加热炉中，在30%H2/Ar和1atm的混合气氛下，用直流电弧等离子体将铈汽化凝聚成纳米颗粒。因为铈纳米颗粒在吸收氢气以后就会形成氢氧化物，以此来产生放热反应，导致冷却速度不断减慢。并生长为方形的氢化铈纳米颗粒。

（2）在结束加热以及抽真空以后，在冷却完成以后往加热炉中添加一些空气。

（3）当氢氧化铈纳米颗粒处于空气中时，将会被氧气氧化，以此来形成规则几何形状的方形氧化铈纳米粒子。

2.2 实施例2

氧化钐超微粉晶面为{100}和{110}的制备工艺如下：

（1）将稀土钐置于氧化铝坩埚中，并且置于真空反应室中，在50%H2/He气氛和1atm混合气下，利用水冷铜线圈进行高频感应加热，让它能够在热的条件下蒸发。

（2）钐蒸汽冷凝产生超微粉末颗粒。处于冷凝的时候由于吸收氢与生成氢化物的放热反应，导致冷却的速度越来越慢，并逐渐凝聚成钐氢化物的方形超微粉末颗粒。

（3）在结束加热与抽真空以后，直到系统冷却和空气排出。本品经长时间贮存后，经完全氧化得到方氧化钐超微粉。

2.3 实施例3

氧化镧超微粉晶面{100}和{110}的实际制备工艺为以下几方面：

（1）将稀土镧置于氧化铝坩埚中，置于真空管式炉中，在30%H2/Ne混合气氛下，200 ml/min载气流量下，-0.75atm力下将温度提高到1000℃以上镧蒸发。

（2）载气把镧蒸气运送到下游以后，逐渐形成了纳米颗粒。镧纳米颗粒可以成长为方形的氢化镧纳米颗粒，其中最为重要的原因是由于对氢的吸收逐渐形成了氢化物，其放热反应让冷却的速度不断降低，从而凝聚成镧氢化物纳米颗粒。

（3）在下游采集的氢化镧纳米颗粒，经氧热处理以后获得氧化镧纳米颗粒，并且获得了方形的氧化镧纳米颗粒。

2.4 实施例4

氧化镨超微粉体颗粒晶面{100}和{110}的制备工艺如下：

（1）把稀土镨置于真空红外加热炉中，将50%H2/Ar和-0.6atm的混合物用红外线照射使镨受热蒸发。

（2）镨蒸气冷凝形成的超细粉末颗粒。超细镨粒子由于吸收氢和生成氢化物的放热反应，以此来降低冷却的速度，以此来形成为方形的氢化物超细镨粉体颗粒。

（3）在停止升温与抽真空以后，冷却完成后，充满空气至大气压。采集氧化镨的超细粉体，在纯氧气氛中加热氧化，以此来获得方形的氧化镨超微粉体颗粒。

3 结论

本次研究通过使用稀土金属来充当实验的原材料，在含有氢气氛的状况下让稀土金属进行蒸发，以此来制备出添加氢以后的常规粉体，并对其进行了氧化，对具有特定表面性质的稀土氧化物粉体实行制备。并经过以上这几种不一样的实验案例来进行表明，本方法可制备出表面为催化活性较高的{100}和{110}的晶体表面的颗粒。