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郭贵宝，云　峰，安胜利

摘要：采用炭吸附沉淀法制备氧化钇纳米粉体。探讨了炭黑的加入量对粉体比表面积的影响，得到******的炭黑加入量。分别采用XRD，TEM，BET和TG分析了不同温度下焙烧所得粉体的物相、颗粒度、分散性和比表面积以及前驱体热分解特性。结果表明，700℃焙烧的粉体呈现良好的分散状态，比表面积为101.2 m2 /g,平均颗粒直径为8 nm;随着烧结温度的升高,粉体的粒径逐渐增大。

关键词：炭吸附；纳米粉体；氧化钇

    Y₂O₃价廉，用途广泛，纳米化后会出现许多新的性质和用途。目前，Y₂O₃纳米粒子通常在中温及常温条件下制备，由于Y₂O₃超细颗粒具有大的表面活性，因此在干燥、焙烧阶段均容易产生团聚、烧结，从而使合成的纳米粒子的粒径增大。另外，Y₂O₃纳米粒子在高温环境下应用时，会发生团聚，使其结构发生变化，失去了其应有的性质。笔者利用炭吸附沉淀法相耦合，制备出了经高温焙烧后仍具有良好分散性的Y₂O₃纳米粉体，经XRD和TEM表征表明,粉末粒径分布均匀。炭黑在溶液中是一种很强的吸附剂，在反应过程中能够均匀地吸附沉淀物，有效地降低了颗粒在沉淀、分离、干燥过程中的团聚程度及焙烧时的烧结程度。

1．实验部分

1.1．试剂与仪器

　　试剂：Y₂O₃（纯度≥99. 99%），由包头稀土研究院提供；炭黑（乙炔黑），由天津市光复精细化工研究所提供；HNO₃（质量分数65%～68%），NH₄OH（质量分数25%～28%），无水乙醇（AR）。

　　仪器：日本理学D /MAX—ⅡB型自动粉末X射线衍射仪，日本JEM—200CX型透射电镜，美国COULTER公司产SA3100型比表面测定仪。

1.2．粉体的观察和表征

　　用X射线衍射仪分析不同焙烧温度下所得粉体的物相。用透射电镜对粉体的形貌、颗粒度大小及团聚状况进行观察。用BET吸附法，通过比表面测定仪测试粉体的比表面积。

1.3．Y₂O₃粉体的制备

　　室温下将一定量的炭黑，按碳与溶液中硝酸钇的物质的量比，加入到5mL 0.2 mol/L的硝酸钇溶液中，搅拌均匀。再滴加3mL氨水，可观察到体系转为黑色的胶体溶液。将此溶液继续搅拌3 h，将所得产物过滤、洗涤、干燥后,置于坩埚内，在空气气氛中分别经400，700，900℃焙烧2h，即得Y₂O₃纳米粉体。

2．结果与讨论

2.1．炭吸附沉淀法原理

　　氨水沉淀法制备Y（OH）₃已有报道。但由于沉淀法难以控制晶粒的大小、团聚，所以不易获得粒径较小的Y（OH）₃；同时在高温焙烧阶段Y₂O₃的粒子还会增大。在反应液中加入适量炭黑作为强的吸附剂，溶液中一旦形成纳米沉淀颗粒，就会被炭黑吸附，因而阻止了纳米沉淀颗粒长大，在干燥阶段也避免了团聚产生。另一方面，当温度升高到400℃时，Y（OH）₃粉体形成Y₂O₃纳米粉体，此时碳未被氧化，防止了Y2O3纳米粉体在焙烧阶段被烧结。当温度升高到700℃时碳已被氧化，减少了在高温条件下Y₂O₃纳米粉体的团聚。因此，炭吸附沉淀法制备Y2O3纳米粉体实际上是沉淀和炭吸附耦合的“湿”过程与“干”过程相结合的产物。采用该方法有望控制合成出具有较小粒径和粒径分布较集中的粉体。

2. 2．炭吸附氢氧化钇热分析

　　为研究高温焙烧过程中粉体的温度和质量变化情况,对碳与Y（NO₃）₃物质的量比为3：1的试样进行热分析。试样的TG曲线如图1。由图1可见，TG曲线有4次质量损失；第一次质量损失不到2%，损失的质量为炭与Y（OH）₃混合物的吸附水；第二次质量损失为13%，对应的温度为200～270℃，为Y（OH）₃分解生成Y（OH）和H₂O，符合氢氧化钇的分解温度（≥200℃）；第三次质量损失为9%，对应的温度为270～520℃，为YO（OH ）分解生成Y₂O₃和H₂O，质量损失约7.4%，同时还有少量碳开始氧化逸出；第四次质量损失较大，对应的温度为530℃左右，为碳的氧化过程。这个过程比碳的氧化温度提前了170℃，表明氧化钇具有很强的催化活性，与原理预期的反应结果一致。

2. 3．焙烧温度对Y₂O₃的结构和粒度的影响

　　图2是碳与硝酸钇物质的量比等于3∶1的试样在不同温度下焙烧2 h后的Y₂O₃粉体的X射线衍射分析结果。由图2可以看出,经400℃干燥后的粉末无明显的特征衍射峰，为无定形粉体；试样经过700℃焙烧后已脱碳，开始出现Y₂O₃的特征峰。随着焙烧温度的不断提高，X射线衍射的特征峰明显，强度增高，宽度变窄，样品的分解完全。经过700℃焙烧的样品呈现出良好的结晶状态。将谱线用标准硅样品校正后，根据Scherrer公式选取某一晶面计算出Y₂O₃纳米微粒的平均粒径：700℃时其平均粒径为7nm，900℃时则提高到15nm左右，粒度明显变大。其原因是，焙烧温度升高到550℃，分解后的Y₂O₃粉体存在于炭黑中,减少了在更高温度下Y2O3粉体的团聚；而在900℃下焙烧,碳被氧化，Y₂O₃粉体在没有了炭黑时发生了较大的团聚。此结果进一步表明:均匀沉淀液炭吸附法减少了在高温条件下Y₂O₃粉体的团聚。

　　图3是碳与硝酸钇物质的量比等于3∶1的试样在700℃高温脱碳后Y₂O₃纳米粒子的TEM图。700℃焙烧所得Y₂O₃基本上呈球形,颗粒呈良好的分散状态，基本无硬团聚存在，颗粒度在8～10 nm。用BET法测试粉体的比表面积为101.8m2/g,利用公式珔dBET = 6/(ρ·S ) 计算粉体的平均粒径为8nm。这一数值基本与XRD表征结果一致。

2.4．炭黑加入量对粉体比表面积的影响

　　添加不同量的炭黑,在700℃下焙烧2 h后，炭黑加入量对Y₂O₃粉体比表面积和粒径的影响如图4 。图4结果表明，随着炭黑加入量的增加，Y2O3粉体的平均粒径减小，比表面积增大，当碳与硝酸钇的物质的量比为3∶1时，达到******稳定值，其中粉体的平均粒径为8 nm，比表面积为101. 8 m2 /g。进一步增加炭黑的用量，粉体的平均粒径和比表面积变化不大。

　　当碳与硝酸钇物质的量比小于3∶1 时，沉淀Y（OH）₃颗粒未完全被炭黑吸附，会有少量团聚。当碳与硝酸钇物质的量比大于3时,沉淀Y（OH）₃颗粒已完全被炭黑吸附，团聚减少，再增加炭黑的用量,Y₂O₃粉体的粒径和比表面积不发生变化。这与原理部分一致。

3　结论

　　1）将沉淀法和炭吸附法相耦合，可减少颗粒在沉淀、分离、干燥时的团聚程度和高温焙烧时的烧结程度；2）炭黑的用量对粉体的比表面积及粒径有很大的影响，随着加入量的增加，Y₂O₃粉体经焙烧后比表面积增大。当碳与溶液中金属离子的物质的量比等于3，经700℃焙烧所得的粉体，呈现良好的分散状态，比表面积约101. 8 m2 /g,颗粒平均直径为8 nm。升高焙烧温度会加剧团聚。