專利名稱：基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過水熱技術(shù)調(diào)控制備不同形貌氧化釔微納米材料的方法，屬于 納米材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，由于納米材料具有不同于塊體材料和單個分子的獨特性能一表面效應(yīng)、 體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等及它在電子、光學(xué)、化工、陶瓷、生物和醫(yī)藥 等諸多方面的重要應(yīng)用而引起人們的高度重視。具有納米尺度結(jié)構(gòu)特征的納米粒子，包括 穩(wěn)定的團(tuán)簇或人造納米晶、納米顆粒、納米管、納米線、納米單層及納米孔等均可作為構(gòu)建 新型功能材料的結(jié)構(gòu)基元。隨著人們對納米材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致納米材料性質(zhì)發(fā)生 變化的微粒的臨界尺寸并不相同，材料的性能不僅與其物理/化學(xué)性質(zhì)本身組分、使用環(huán) 境有關(guān)，也與制備方法、表面結(jié)構(gòu)、暴露晶面等眾多與形貌相關(guān)的參數(shù)有關(guān)(C. Burda, X. B. Chen, R. Narayanan, Μ. A. El-Sayed, Chem. Rev. 2005，105，1025)。因此,納米 材料的控制合成是實現(xiàn)材料性能及其應(yīng)用的基礎(chǔ)，要有效利用納米材料，必須首先解決好 納米材料的制備問題。納米氧化釔由于不僅具有優(yōu)良的耐熱、耐腐蝕和高溫穩(wěn)定性，還具有獨特的物理 和化學(xué)性質(zhì)，因此，被廣泛應(yīng)用于高科技材料之中，如燃料電池、超導(dǎo)材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷、 傳感器等領(lǐng)域，從而引起了眾多研究者的極大興趣。在過去的十年里，化學(xué)和材料學(xué)家制 備了多種氧化釔納米材料，包括納米棒、納米盤、微球、納米多面體以及其它形貌的結(jié)構(gòu)(H. X. Mai, Y. W. Zhang, R. Si, Ζ. G. Yan, L. D. Sun, L. P. You, C. H. Yan, J. Am. Chem. Soc. 2006，128，6426; Si R. , Y. W. Zhang, L. P. You, C. H. Yan, Angew. Chem. Int. Ed. 2005，44，3256; Y. B. Mao, J. Y. Huang, R. Ostroumov, K. L. Wang, J. P. Chang, J. Phys. Chem. C 2008，112，2278; L. Li, C. K. Tsung, Z. Yang, G. D. Stucky, L. D. Sun, J. F. Wang, C. H. Yan, Adv. Mater. 2008，20，903)，所采 用的控制合成方法主要有醇鹽水解法、溶膠一凝膠法、噴霧熱分解法、化學(xué)氣相沉積法、固 相法等。這些制備方法多數(shù)采用了模板或者需要價格很貴的有機(jī)金屬化合物，增加了材料 制備成本；另外，這些制備方法對氧化釔形貌、粒徑和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)完全可控合成還有一定的困 難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有氧化釔納米材料制備方法的缺陷，提供一種工藝簡單、 重復(fù)性好，成本低且價格低廉，成本低、適于工業(yè)化生產(chǎn)且能實現(xiàn)納米氧化釔形貌、粒徑和 結(jié)構(gòu)完全可控合成的制備方法，所制備的納米粒子純度高、粒度均勻、形貌獨特。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
先在含釔無機(jī)酸鹽溶液中加入一定量尿素，將溶液在以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼高 壓反應(yīng)釜中一定溫度下水熱反應(yīng)一段時間，得到微納米氧化釔的前驅(qū)物；然后將產(chǎn)物收集，用水洗滌，干燥后獲得白色前驅(qū)物；最后將前驅(qū)物于馬弗爐中焙燒處理，脫水分解得到微納 米結(jié)構(gòu)的103。本技術(shù)方案將均勻沉淀與水熱技術(shù)相結(jié)合的方法，借助于尿素在水熱條件下，緩 慢水解生成沉淀劑，與Y3+發(fā)生均相共沉淀，這樣生成的納米粒子團(tuán)聚現(xiàn)象極少，易分散。此 外，該方法制備納米材料時，可通過控制尿素的量對PH的影響、濃度、沉淀速度、水熱溫度 等方式控制最后產(chǎn)物的形貌和粒子尺寸。所述的含釔無機(jī)鹽水溶液為鹽酸鹽或硝酸鹽； 所述的尿素的加入量為0. 5^5. 0 g ；
所述的水熱反應(yīng)溫度為14(T180 °C；
所述的水熱反應(yīng)時間為廣12小時；
所述的于馬弗爐中焙燒處理的溫度為600 °C左右。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
a)本發(fā)明所采用的原料來源廣泛，工藝簡單、重復(fù)性好，成本低且價格低廉，成本低、適 于工業(yè)化生產(chǎn)；
b)本發(fā)明所采用的制備方法不需要添加任何復(fù)雜的模板和催化劑，操作簡單方便；
c)本發(fā)明所采用的制備方法能實現(xiàn)納米氧化釔形貌、粒徑和結(jié)構(gòu)的可控合成；
d)材料本發(fā)明方案制備的納米氧化釔形貌獨特、純度高、粒子團(tuán)聚現(xiàn)象極少，易分散。


圖1是不同條件下制備的氧化釔材料的SEM照片。其中，(a，b)為140° C制備 的啞鈴狀氧化釔；(c，d)為180° C制備的氧化釔；(e)為氧化釔微球；(f)為氧化釔納米片。圖2是140 ° C和180 ° C水熱條件下，制備的氧化釔前驅(qū)物的XRD圖。其中， (a)為140° C制備的啞鈴狀氧化釔；(b)為180° C制備的氧化釔；(c)為氧化釔微球；(d) 為氧化釔納米片。圖3是經(jīng)600 ° C煅燒后得到氧化釔材料的XRD圖。其中，(a)為140° C制備 的啞鈴狀氧化釔；(b)為180° C制備的氧化釔；(c)為氧化釔微球；(d)為氧化釔納米片。圖4是控制尿素的加入量，制備的氧化釔材料的SEM照片。其中，(a) 0.5 g ； (b) 1.0 g ;(c) 1. 5 g ;(d) 3.0 g。圖5是控制水熱合成的時間，制備的氧化釔材料的SEM照片。
具體實施例方式下面通過實例對本發(fā)明所述基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法作 進(jìn)一步說明。本實例在以本發(fā)明方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的 操作過程。實施例1
啞鈴狀氧化釔納米材料的制備將3. 83 g Y(NO3)3 ·6Η20和0. 5 g尿素溶解于38 mL 水中，攪拌形成澄清溶液，轉(zhuǎn)移到50 mL高壓釜(聚四氟乙烯內(nèi)襯，不銹鋼外殼)中，密封， 140 ° C水熱處理12小時，反應(yīng)結(jié)束后取出反應(yīng)釜，自然冷卻至室溫。將產(chǎn)物收集，用水洗
4滌，干燥，獲得白色前驅(qū)物Y(OH)CO3, XRD表征如圖2所示。最后將材料于600 0C馬弗爐中 焙燒處理，脫水分解得到啞鈴狀納米IO3，收集待測。此樣品簡記為YCHD-140。產(chǎn)物的尺寸 和形貌通過掃描電鏡表征(圖l_a，1-b)，XRD如圖3-a所示。如圖l~a, l_b所示，YCHD-140 大小約50 70 μ m，具有特別的 鈴形貌，上有許多細(xì)小的不規(guī)則納米顆粒組成其二級結(jié)構(gòu)。實施例2
按實施例1的制備方法，只是將所述的水熱溫度140° C改為180° C，獲得的前驅(qū)物表 征如圖2所示，最終得到的微米氧化釔結(jié)構(gòu)的SEM照片如圖1-c和Ι-d所示，XRD表征如圖
3-b所示，由圖可知IO3的啞鈴形貌基本保持不變，但其二級結(jié)構(gòu)變?yōu)檩^規(guī)則的長方塊。實施例3
按實施例1的制備方法，只是將尿素的加入量分別改為1.0 g， 鈴狀納米IO3改變?yōu)?微球型的&03。產(chǎn)物的SEM照片如圖Ι-e所示，呈現(xiàn)2 4 μ m大小的微球。XRD如圖3_c 所示。實施例4
按實施例1的制備方法，只是將尿素的加入量分別改為3. 0 g，微球型的IO3改變?yōu)榧{ 米片型的103。產(chǎn)物的SEM照片如圖Ι-f所示，所得產(chǎn)物具有片層結(jié)構(gòu)形貌。XRD如圖3-d 所示。實施例5
按實施例1的制備方法，只是將尿素的加入量分別改為1. 5 g。產(chǎn)物的SEM照片如圖
4-c所示。獲得產(chǎn)物YCHD-M是微球與片層結(jié)構(gòu)的混合物。這些結(jié)果表明，水熱反應(yīng)溫度和 尿素加入劑量在IO3的控制合成過程中起了重要的作用。實施例6
按實施例1的制備方法，只是將140 ° C水熱處理12小時分別改為140 ° C水熱處 理9小時，6小時和3小時。產(chǎn)物的SEM照片如圖5所示。實施例7
實施相關(guān)的合成實驗，以了解不同形貌IO3納米結(jié)構(gòu)的生長機(jī)理(圖4，圖5)。對啞鈴 狀YCHD-140而言，尿素在水熱條件下緩慢分解，在達(dá)到一定的pH值時開始結(jié)晶成核，同時 在一個高能非平衡條件下發(fā)生團(tuán)聚以降低表面能。相鄰的納米晶在范德華力作用下，按照 一定的取向自發(fā)聚集生長。從圖5可以清楚的看到，球形結(jié)構(gòu)是啞鈴狀YCHD-140形貌演化 的一個中間態(tài)，隨著反應(yīng)時間的延長，遵循Ostwald成熟理論，溶解一重結(jié)晶平衡促使小的 粒子漸漸溶解，在飽和的母液中，大個的粒子按著一定的取向，越長越大，直到尿素分解完 畢，獲得具有分等級結(jié)構(gòu)的YCHD-140現(xiàn)鈴狀。實驗結(jié)果表明，在尿素濃度較高的環(huán)境中，尿 素可起到包覆劑的作用。對氧化釔微球來說，均相沉淀和團(tuán)聚現(xiàn)象仍然是影響其生長機(jī)制 的關(guān)鍵因素。最近，Clutelcean (R. Custelcean, Chem. Commun. , 2008, 295)在一篇綜 述中報道了尿素分子既可以借助NH基團(tuán)作為氫鍵的貢獻(xiàn)者，也可以通過C=O基團(tuán)的孤對 電子作為氫鍵的接受者，這兩種基團(tuán)間良好的互補可以自我交聯(lián)形成二維層狀框架，這可 能就是氧化釔在尿素過量的水熱條件下長成層狀納米結(jié)構(gòu)的原因。
權(quán)利要求
1.一種基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法，其特征在于先在含釔無機(jī) 酸鹽水溶液中加入一定量尿素，將溶液在以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼高壓反應(yīng)釜中一定 溫度下水熱反應(yīng)一段時間，得到微納米氧化釔的前驅(qū)物；然后將產(chǎn)物收集，用水洗滌，干燥 后獲得白色前驅(qū)物；最后將前驅(qū)物于馬弗爐中焙燒處理，脫水分解得到微納米結(jié)構(gòu)的氧化 釔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法，其特征在 于所述的方法是水熱合成法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法，其特征在 于所述的含釔無機(jī)鹽水溶液為鹽酸鹽或硝酸鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法，其特征在 于所述的尿素的加入量為0.5、. 0 g。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法，其特征在 于所述的水熱反應(yīng)溫度為14(T180 0C0
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法，其特征在 于所述的水熱反應(yīng)時間為廣12小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于水熱技術(shù)調(diào)控制備氧化釔微納米材料的方法，其特征在 于所述的于馬弗爐中焙燒處理的溫度為600 °C左右。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水熱技術(shù)調(diào)控制備微納米氧化釔的方法，通過水熱反應(yīng)制備了不同形貌的氧化釔微納米材料。具體制備方法為先在含釔無機(jī)酸鹽溶液中加入一定量尿素，將溶液在以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼高壓反應(yīng)釜中一定溫度下水熱反應(yīng)一段時間，得到微納米氧化釔的前驅(qū)物；然后將產(chǎn)物收集，用水洗滌，干燥后獲得白色前驅(qū)物；最后將前驅(qū)物于馬弗爐中焙燒處理，脫水分解得到微納米結(jié)構(gòu)的Y2O3。通過控制反應(yīng)體系尿素的加入量及水熱反應(yīng)的溫度和時間等參數(shù)來實現(xiàn)對產(chǎn)物的形貌和尺寸的控制。該方法工藝簡單易行，重復(fù)性好，實驗條件溫和，成本低且價格低廉，適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號B82Y40/00GK102070178SQ20111004769
公開日2011年5月25日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者侯曉玲, 呂弋, 張立春 申請人:四川大學(xué)