[发明专利]稳定锐钛矿相纳米氧化钛和四方相纳米氧化锆的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在较高焙烧温度下也能稳定锐钛矿相纳米氧化钛和四方相纳米氧化锆的方法。

背景技术

氧化钛作为重要的无机功能材料被广泛应用在现代工业，农业，化工，轻工，冶金，电器以及建材等行业中，与国民经济有密切的关系。氧化钛是一种多晶型的化合物，主要有锐钛矿和金红石两种晶相。锐钛矿在比较低的温度时稳定存在，在逐渐焙烧的过程中会向金红石转变。

作为一种重要的宽带隙半导体，光催化性质是纳米氧化钛最主要的性质。氧化钛不仅具有很高的光催化活性，而且耐酸碱和光化学腐蚀，无毒，制备成本低等优点，使其成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。此外，由于具有良好的光电转换性能，所以氧化钛在太阳能的储存与利用方面也有巨大的应用潜力。但是研究发现，相比于金红石型氧化钛而言，锐钛矿型氧化钛在许多催化反应尤其是光催化反应中常常具有较高的催化活性，而从锐钛矿到金红石的相变常常导致催化尤其是光催化反应活性的降低。因此，从实际应用的角度来看，一般希望锐钛矿相在较高的焙烧温度下也能得以稳定。

二氧化锆是一种兼具酸，碱，氧化，还原四种性质的金属氧化物，是一种十分重要的结构和功能材料。二氧化锆主要有单斜、四方和立方三种晶型，其稳定的低温相为单斜晶相结构，在高于1000℃时四方相逐渐形成，至2370℃只存在四方相，高于2370℃至熔点温度则转为立方晶相。然而，人们发现除了单斜相以外，四方相也能在室温作为一种亚稳态存在，在逐渐升温的过程中会转变为单斜相。四方相氧化锆是重要的结构陶瓷材料，具有优良的力学性能和广泛的用途。单斜相氧化锆由于在高温相变过程中伴随体积变化而产生裂纹甚至碎裂，实际应用要求烧结产品具有最佳的电性能和机械性能，为了防止相变引起的开裂，所以必须使晶型稳定在四方或立方。

实际使用过程中，一般通过添加稳定剂的方法以便使氧化钛或氧化锆的晶相被稳定在锐钛矿或四方晶相。在氧化钛或氧化锆中添加其它阳离子，如Y₂O₃、Al₂O₃、CaO等可以稳定锐钛矿型锐钛矿或者四方晶相氧化锆。共沉淀方法是常常使用的制备方法，该方法具有操作简单、效果明显的优点。但是采用共沉淀方法制备的粉体中往往存在相当多的团聚体，而且稳定剂在氧化钛或者氧化锆中表面分布的均匀性也不容易控制。

LeDuc C等，Effect of lanthana as a stabilizing agent in titanium dioxidesupport，Ind.Eng.Chem.Res.1996，35(7)：P2473，以商品锐钛矿为载体，采用浸渍方法制备了氧化镧掺杂的氧化钛样品，结果表明，为了在650℃下获得锐钛矿晶相的长期热稳定性，La₂O₃的量至少应达到5wt％。EP0337809B1公开了一种用氧化铈稳定氧化锆颗粒的方法。其方法为氧化锆颗粒用铈盐溶液浸渍，干燥。在900℃温度的空气中焙烧后，氧化锆可以被稳定在四方晶相。但是该方法中所需的稳定剂一氧化铈的含量很高，在氧化铈/氧化锆混合物中的重量达到10-50wt％。中国专利(申请号)99100053.6公开了一种表面掺杂的弱团聚的纳米氧化锆粉末的制备方法。所述的制备方法为将气相水解四氯化锆制备得到的以四方相为主要晶相的纳米氧化锆粉末在用作稳定剂的金属盐溶液中浸渍，过滤，烘干，于300-800℃进行热分解，得到在氧化锆粉末表面掺杂有别的金属氧化物的纳米氧化锆粉末，此种粉末具有四方相或者立方相结构。综上所述的方法虽然可以有效稳定锐钛矿相氧化钛或者四方晶相氧化锆，但是所需要的稳定剂的量比较高。此外，浸渍到稳定剂溶液中的氧化钛或氧化锆的晶相对于锐钛矿或四方晶相稳定性的研究迄今为止未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稳定锐钛矿相纳米氧化钛和四方相纳米氧化锆的方法。

本发明的方法中，稳定剂的加入含量非常低，操作简单，在较高焙烧温度下不仅能有效稳定纳米氧化钛或者纳米氧化锆的锐钛矿相或四方相，而且也能有效抑制纳米氧化钛或者纳米氧化锆粒子长大的方法。

为实现上述目的，本发明所描述的方法由以下各步组成：(a)采用一般的沉淀法制备氢氧化钛或者氢氧化锆。(b)在特定温度下将氢氧化钛或者氢氧化锆焙烧成具有单一锐钛矿晶相的氧化钛和单一四方晶相的氧化锆。(c)将上述锐钛矿相氧化钛或者四方相氧化锆在作为稳定剂的硝酸镧溶液中浸渍，干燥，焙烧，得到表面分散有氧化镧的纳米氧化钛和纳米氧化锆粉末。