[发明专利]一种炭黑体系制备高度分散纳米氧化镧的方法

说明书

技术领域：

本发明属于无机非金属材料的制备技术领域，特别涉及一种炭黑体系制备高度分散的纳米氧化镧粉体的可控制备方法。

技术背景：

稀土金属氧化物在各个领域中的应用十分广泛，纳米稀土材料具有化学活性高、氧化还原能力强、配位数多变等特点。氧化镧是一种重要的稀土氧化物，在催化剂、固体电解质等方面有广泛的应用。尤其作为碱催化剂在加氢、异构化、脱水、脱氢反应中使用。纳米La₂O₃粒子小、比表面积大、活性高，具有微米级La₂O₃不具有的性能，在很多领域如贮氢材料、发光材料、陶瓷材料、磁性材料、催化剂等方面发挥着重要的作用。

成核/晶化隔离法是一种制备纳米材料非常实用的方法，目前已成功制备出多种纳米材料，例如LDHs、纳米BaSO₄、纳米ZnO、纳米MgO等。它的原理是将盐溶液和碱溶液在常温下同时加入到全混反应器中瞬时混合，反应成核，利用反应器的高剪切力使两浆液发生强烈相互作用，瞬间形成大量微晶粒。然后将刚生成的成核浆液在一定温度下晶化，最后水洗、干燥得到样品。由于此方法将成核、晶化两步分离，先在全混反应器中得到大量同一尺寸的小晶核，然后控制相同的晶化条件，使晶核不断生长，直到反应结束。这样制备得到的纳米粒子大小可控、粒径分布窄。

目前文献中报道的纳米La₂O₃的合成方法较多，多数基于实验室内合成，常见的有溶胶凝胶法、尿素水解法、微乳液法、固相球磨法、水热法等，这些方法或原料昂贵、成本高，或过程复杂、条件苛刻、不易操作控制，或不宜实现规模化、产业化生产。文献(Ning Zhang，Ran Yi，Libin Zhou，Guanhua Gao，Rongrong Shi，Guanzhou Qiu，Xiaohe Liu，Materials Chemistry and Physics.114(2009)160-167)用氧化镧、硝酸、三乙胺为原料，在160℃下反应24h-48h，离心洗涤后将沉淀在60℃下干燥5h，将粉体在600℃下焙烧2h，得到氧化镧。张纪光，马林，徐燕等(稀有金属材料与工程，2008，38(2)：28-32)以硝酸镧为原料，用溶胶-凝胶法制备了超细的氧化镧粉体。由电镜观察和XRD数据表明，该氧化镧粉体的粒径为50nm，粒径较为均匀，属六方晶系。朱文庆，张文钊，苏飞飞等(高校基础学报，2010，24(9)：83-86)采用CTAB/正丁醇/正辛烷/La(NO₃)₃水溶液所形成的反相微乳液体系合成纳米La(OH)₃，进而得到纳米级氧化镧。

发明内容：

本发明的目的是提供一种工艺成本低、易于操作控制，便于工业化生产纳米氧化镧的制备方法，克服了以往制备方法中原料昂贵、成本高、过程复杂、条件苛刻，不宜实现规模化、产业化且制备的纳米氧化镧粒径大、分布不均一等缺点。

本发明以可溶性三价镧盐、碳酸盐、硝酸以及炭黑为原料，先制备得到黑色的碱式碳酸镧前驱体，再经过程序升温焙烧得到粒径分布在30～80nm之间的纳米氧化镧粉体。

其具体的制备过程包括下述步骤：

步骤A：取炭黑作为初始分散剂，加入浓度为1mol/L～16mol/L的硝酸作为改性剂，炭黑与硝酸质量比为1∶5～1∶50，加热到50℃～90℃，恒温保持3～10h，离心洗涤后于120℃～150℃干燥活化12～24h，得到改性炭黑；

步骤B：将可溶性三价镧盐用去离子水配置0.01～1mol/L的溶液，加入步骤A得到的改性炭黑，改性炭黑与可溶性三价镧盐的质量比为1∶50～1∶10，超声分散1～30min；将碳酸盐配成等体积的浓度为0.03～3mol/L的溶液；其加入量按La³⁺∶CO₃^2-摩尔比例为1∶4～1∶2计算，将二种溶液在室温下于旋转液膜成核反应器中充分混合得黑色沉淀；将黑色沉淀转入三口烧瓶中，在80℃～120℃的条件下晶化生长3～8h，离心洗涤至中性，于60℃～90℃干燥12～24h，即得黑色碱式碳酸镧前驱体；

步骤C：将步骤B中制备的黑色碱式碳酸镧前驱体以5～20℃/min的升温速率升温至700℃～1000℃后焙烧2～8h，得到粒径分布在30～80nm之间的纳米级氧化镧的白色粉体。

所述的炭黑的粒径为≤100nm，具体型号为N330、N550、N660、N772或N770。