氧化铈多孔陶瓷制备.doc

氧化铈多孔陶瓷的制备The Preparation of Porous CeO2 Ceramics张世磊，王英姿，齐恩磊，王磊Zhang Shilei, Wang Yingzi, Qi Enlei, Wang Lei（济南大学 材料科学与工程学院，济南 250022）(School of Materials Science & Engineering, University of Jinan, Jinan 250022)摘 要：本文以Ce(NO3)36H2O为原料，以氨水为沉淀剂，采用水热法制备出氧化铈粉体，并以淀粉为造孔剂制备出了氧化铈多孔陶瓷。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对氧化铈粉体及多孔陶瓷其进行了表征。结果表明氧化铈的烧结温度为1450左右，以淀粉占氧化铈质量的40%制备出的多孔陶瓷气孔形状规则，分布均匀。Abstract: In this paper , Ce(NO3)36H2O was used as raw material, and NH3H2O was used as precipitant. The CeO2 was prepared through hydrothermal synthesis method and CeO2 porous ceramics was prepared by adding starch as pore former. The CeO2 powders and the porous ceramics were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). The results show that the sintering temperature of CeO2 is about 1450. The shape of pores are regulation and the distribution of pores are uniform in the porous ceramics that prepared with 40% starch in the preform body of CeO2.关键词：氧化铈；可烧结性；多孔陶瓷Key words: CeO2; sinterabilty; porous ceramics1 引言由于CeO2独特的储放氧功能与高位快速空位扩散能力，广泛的应用在催化氧化等方面，将氧化铈制备成多孔陶瓷，一方面部分保留了粉体的高比表面积，另一方面又可以将氧化铈制备成任意形状在实际中应用。目前人们制备氧化铈的方法有：沉淀法1、溶胶-凝胶法2、电化学法、微乳液法3、水热法4、微波均相法5等。水热法制备纳米粉体的特点是粒子纯度高、分散性好、晶形好且可控制6。上海师范大学的栾宝平等7以柠檬酸钠为形貌控制剂，以尿素为为沉淀剂采用水热法制备了球形的CeO2粉体。李占双8等人采用乙二醇作为分散剂，不同温度下用水热法制备了球形纳米CeO2粉体，且分散性较好。本文采用水热法制备了CeO2粉体，利用电子扫描显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对制备的粉体进行表征，并对SiO2粉体进行可烧结性测试。以淀粉为造孔剂采用添加造孔剂的方法制备CeO2多孔陶瓷并研究造孔剂的含量对多孔陶瓷的影响。2 实验向配制好的0.25mol/L的Ce(NO3)3溶液中滴加两倍于Ce3+物质的量的H2O2，向溶液中滴加0.1mol/L的氨水溶液至溶液pH接近9，搅拌至完全沉淀，洗涤沉淀至中性，再将沉淀配成200ml的浊液至自控反应釜中180处理4h冷却离心得到白色沉淀，洗涤干燥后得到氧化铈前驱体，然后在500煅烧4h，得到红棕色的氧化铈粉体。将制备的氧化铈粉体在200Mpa下压制成厚度约为1mm，直径为13mm的薄片。将薄片分别在1100、1450、1550下烧结，保温4h后自然冷却，测试氧化铈粉体的可烧结性，确定氧化铈的烧结温度。将氧化铈粉体、淀粉（造孔剂）、PEG4000、超纯水在行星球磨机中混合均匀得到浆料，将浆料注入模具中在80的水浴锅加热中糊化，将模具放入真空干燥箱中在110下真空干燥12h，脱模后得到坯体。将坯体放入箱式电阻炉中在500下保温4h排胶，冷却后在1500下保温4h，冷却后得到氧化铈多孔陶瓷。改变淀粉占氧化铈的质量比：20%、30%、40%、50%以研究淀粉对多孔陶瓷结构的影响。3 结果分析3.1 XRD分析图1为制备的CeO2粉体的XRD图谱。从图谱分析，样品的主要衍射峰对应于（111）、（200）、（220）、（311）晶面，是一张面心立方氧化铈的XRD图谱。制备的氧化铈图谱的衍射峰较为明显，合成出了氧化铈粉体。图1 CeO2的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of the CeO23.2 SEM分析图2氧化铈粉体的SEM照片。从图中可看出用自控反应釜制备的氧化铈粉体晶粒形貌为较为规则的直径约为200nm的球状，晶粒团聚比较明显。ab图2 CeO2的SEM照片Fig.2 SEM images of CeO23.3 可烧结性分析表1为氧化铈干压成坯体烧结前后的尺寸数据。从表中可以看出在1100下热处理4h，收缩率最小，观察热处理之后的样品表面，发现样品表面仍有粉体存在，用手很容易就可以将粉体擦下，样品强度很低明显未烧结成陶瓷，即未到达氧化铈的固相烧结温度。在1450下热处理4h，收缩率最大，样品颜色由处理前的淡黄色变为棕色，表面也变得光滑，样品已经烧结成陶瓷。在1550下热处理4h，处理后颜色与1450下处理的相同，收缩率相对于与1450下并为增大，反而有所减小。因此，可确定氧化铈的烧结温度在1450左右。表1氧化铈烧结温度与尺寸烧结温度/入炉尺寸/mm出炉尺寸/mm收缩率/%110013.0010.7017.6923145013.009.7824.7692155013.009.8424.30773.4 多孔陶瓷的abddc图3 不同淀粉用量的多孔陶瓷断面SEM照片Fig.3 SEM images of porous ceramics prepared with different dosage of starch图3中a、b、c、d分别为淀粉含量为20%、30%、40%和50%制备的多孔陶瓷的断面SEM照片。淀粉占氧化铈质量的20%烧结的多孔陶瓷中，气孔分布均匀，孔直径分布在110m左右，形状不规则。而淀粉占氧化铈质量的30%烧结得到的多孔陶瓷气孔分布均匀，孔径分布在210m左右，空隙比20%的淀粉的多孔陶瓷的空隙相比，较为规则；特殊形状的气孔明显少。并且，淀粉量为30%制备的多孔陶瓷的断面可以看到明显的晶界，气孔率也明显高于淀粉占氧化铈的20%的多孔陶瓷。淀粉占氧化铈质量40%制备出的多孔陶瓷与淀粉含量30%的相比，淀粉占氧化铈质量的40%烧结出的多孔陶瓷的断面的气孔形状接近球形且分布均匀，孔径分布在510m左右。而淀粉占氧化铈质量的50%制备出的多孔陶瓷断面的气孔形状不规则，并且晶粒之间连接较少，必然会影响多孔陶瓷的强度。4 结论氧化铈烧结温度在1450左右，不同含量的淀粉制备的氧化铈多孔陶瓷中以淀粉占氧化铈质量的40%制备的多孔陶瓷气孔形状规则、分布均匀。参考文献1 孙晶, 董相廷, 李昌立, 等. CeO2纳米粒子的油酸包覆研究J. 长春光学精密机械学院学报, 2001, 24(4) : 23-26.2 侯文华, 徐林, 邱金, 等. 采用不同方法制备CeO2超细粒子-I:溶胶-凝胶法J . 南京大学学报(自然科学版), 1999, 35(4):486-489.3 石硕, 鲁润华, 汪汉卿. W/O微乳液中超细CeO2粒子的制备J. 化学通报, 1998, (12):51-53.4 Masui T, Hirai H. Synthesis of cerium oxide nanoparticals by hydrothermal crystallization with citric acid J. J Mater Sci Let t, 2002, 21: 489-491.5 齐恩磊, 满丽莹, 王孙昊等. CeO2纳米棒的合成及其光催化性能. 材料研究学报, 2011, 25(2):219-224.6 姜倩, 张旭东, 何文等. 氧化铈纳米粉体制备技术的研究进展J. 山东轻工业学院学报, 2011,25(2):35-38.7 栾宝平, 余锡宾, 刘洁等. 不同形貌的CeO2的水热法制备及表征J. 上海师范大学学报（自然科学版）, 2011, 42(2):157-162.8 李占双,