[发明专利]含银粒子的纳米锆铝复合氧化物薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米催化剂薄膜的制备方法，尤其是以含银的锆铝复合氧化物为主要成分的催化剂薄膜，属于功能复合薄膜材料技术领域。

背景技术

催化材料在环境、化工、能源、材料制造等领域具有广泛的应用，是许多重要化学过程不可或缺的材料。如机动车尾气净化催化材料、加氢催化材料、燃料电池催化材料等在这些领域中发挥着重要的作用。催化材料及其制备新技术的开发和应用一直是催化剂研究的热点。纳米催化材料在工业过程中已经得到了很多应用，利用具有一定缺陷的纳米复合氧化物催化降解环境污染物和抑菌杀菌是其重要的应用方向。

随着人类生活的现代化和都市化，机动车的使用越来越普及，尾气的排放量越来越大，其中氮氧化合物所造成的大气污染及其影响尤其严重。因此，催化反应消除机动车尾气污染成为被广泛研究的一个热点。三效催化剂是目前国际上广泛采用的治理机动车尾气的最佳手段，可使汽车排污减少90％以上，基本满足现行法规的严格要求。但由于这种催化剂的主要活性物是Pt、Pd和Rh，此类金属不仅价格昂贵，而且在地球上的储藏量也很有限，根本不能满足全世界机动车尾气净化的需求。此外，在高温下，贵金属粒子会发牛团聚，导致催化活性显著降低。载体的比表面积降低也导致活性降低。因此，如何大幅度降低贵金属的用量、提高催化活性、提高催化剂抗高温团聚的能力和载体的高温稳定性是当前亟待解决的关键问题。以薄膜形式固定纳米金属粒子和复合氧化物后制成的催化材料能很好地克服这些缺陷，它既具有固定催化剂、避免流失和团聚的优势，又能保持纳米材料的量子尺寸效应、表面界面效应和量子限域效应。

目前的纳米薄膜制备工艺，主要包括化学气相沉积法、溅射法和溶胶一凝胶法。虽然用化学气相沉积进行制备的方法晶粒尺寸易于控制，但整个过程包括气体扩散、反应气体在衬底的吸附、表面反应、成核和生长、气体解吸和扩散挥发等步骤，由于影响薄膜组成、结构和形态因素多，因此操作控制复杂，设备较为昂贵，而且不宜大规模制备。溅射法是利用直流或高频电场使惰性气体发生电离，产生辉光放电等离子体，电离产生的正离子和电子高速轰击靶材，使靶材上的原子或分子溅射出来，然后沉积到基板上形成薄膜。该法可溅射任何物质，但由于真空度的需要以及溅射仓空间的限制，操作较复杂，造价高，且不宜进行大面积的薄膜溅射。溶胶一凝胶法是先在低温下液相合成溶胶，然后采用浸涂法使溶液吸附在基材上，经胶化后成为凝胶，然后经一定温度热处理即可得到纳米薄膜。

发明内容

本发明提供一种方法简单、成本低廉的制备以掺杂银粒子的纳米氧化锆和纳米氧化铝为主要成分的催化剂薄膜的新方法。以这种方法制备的催化剂薄膜材料可对纳米粒子的尺寸分布、薄膜厚度进行设计和调控，可在平面和曲面形成具有良好热稳定性和长寿命的含银粒子的纳米锆铝复合氧化物催化剂薄膜，可用于制备资源节约型高效汽车尾气催化净化器、室内催化降解污染物涂层等。

本发明所述的纳米催化剂薄膜是以Ag、ZrO₂和Al₂O₃纳米粒子为敏感成分，以聚乙烯醇为成膜材料制成，其制备方法是：

(1)将平均分子量为80000～90000、醇解度为70％～80％的聚乙烯醇粉末在不断搅拌下缓缓加入20℃左右的蒸馏水中，聚乙烯醇和水的质量比为1：20～50，充分溶胀后用水浴将此溶液升温到90℃左右，同时加入0.2％～0.5％(以聚乙烯醇为基准)的有机硅乳液，继续搅拌直到溶液不再含有微小颗粒为止。

(2)将硝酸银溶液逐滴加入到步骤(1)得到的聚乙烯醇溶液中，其中硝酸银与聚乙烯醇的摩尔比值为1/800～1/300，搅拌混合均匀。

(3)在不断搅拌下，将超声波分散过的粒径为25～45纳米的二氧化锆和三氧化二铝粉体加入上述混合液中，Zr、Al和Ag的原子比为100：30～50：5～10，继续搅拌2小时，形成均匀胶状溶液。

(4)将洗净的基体材料(可以是各种形状)浸入上述溶液中，提出后在180～250℃温度下加热4～6分钟，重复浸入和加热步骤，直到基体材料表面形成厚度为50～200纳米的催化剂薄膜，其中银粒子的粒径为3～10纳米。

将加热还原温度控制在180～250℃，一方面银离子在此温度时能被聚乙烯醇还原，另一方面，聚乙烯醇可以在此温度下被物理交联。

具体实施方式

实施例1