[发明专利]一种高比表面积纳米二氧化锆及其合成方法

说明书

技术领域

本发明一种高比表面积纳米二氧化锆及其合成方法，属于纳米材料和催化剂合成领域。具体而言，涉及一种具有高比表面积、高结晶度、高分散、晶粒径与晶相可控的纳米二氧化锆及其合成方法的技术方案。

背景技术

纳米二氧化锆不仅具有纳米材料的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应等结构特性，而且还兼有其固有的硬度高、化学稳定性好、表面酸、碱性以及氧化性和还原性等优良性能，从而使得该类材料在陶瓷增韧、光电器件、太阳能电池、气体传感器、吸附、酸碱催化及光催化等应用领域有着广泛的应用前景。尤其是在同时需要酸碱催化反应体系中的应用，纳米二氧化锆无论是直接作催化剂使用还是作为载体负载活性组分后使用，均将会显示其独特的优越性。但目前合成的纳米二氧化锆仍存在颗粒团聚现象或分散度不高及比表面积低等问题而导致材料催化效果较差，现已成为严重制约其在催化应用领域内的瓶颈。因此，合成具有超细粒径、高分散、高比表面积的纳米二氧化锆已经成为当前急需解决的问题，并以其达到化解在催化应用中的瓶颈。

目前报道的有在水热法合成中添加含羧基的有机包覆剂（如油酸、癸酸等）以防止颗粒团聚现象出现而获得了一定的分散效果，但后续处理复杂且产品呈无定形，虽通过高温煅烧处理后可获得结晶产品但也降低了产品的比表面积；也有在合成中添加阳离子有机包覆剂的报道，结果表明合成出具有较好分散度的晶体产品，但其颗粒粒径均在10nm左右且比表面积也不高（均未超过300m²/g）。显然，合成出具有高结晶度、高分散性、超细粒径与高比表面积的纳米二氧化锆仍为一大挑战。本发明在于采用了蒸汽相水解结合水热法，在不添加任何有机包覆剂的条件下，通过调控反应温度、反应时间及有机溶剂来协同控制锆源的水解和结晶速度，即可合成高分散、高结晶度、超细粒径与高比表面积的纳米二氧化锆，不仅避免了高温煅烧等后续复杂的处理工序，而且在催化剂和催化剂载体应用方面将更有优势。

发明内容

本发明一种高比表面积纳米二氧化锆及其合成方法，目的在于为解决上述现有技术中存在的问题，从而提供一种具有高比表面积、高结晶度、高分散、晶粒径与晶相可控的纳米二氧化锆及其合成方法的技术方案。

本发明一种高比表面积纳米二氧化锆，其特征在于所述的纳米二氧化锆具有介于2.0~4.3nm的超细粒径，高结晶度（如图1(b)中清晰的晶格）和高比表面积（高达448 m²·g^-1）。

上述的一种高比表面积纳米二氧化锆的合成方法，其特征在于用Zr(OC₄H₉)₄作锆源，以有机溶剂为辅助剂，通过蒸汽相水解结合水热法，调控反应温度、反应时间及有机溶剂来协同控制锆源的水解和结晶速度，从而形成高分散、高结晶度、超细粒径与高比表面积的纳米二氧化锆，具体步骤为：

先将Zr(OC₄H₉)₄和有机溶剂在烧杯内混合搅拌5~20分钟后倒入称量瓶中，再将装有上述混合溶液的称量瓶放入预先装有蒸馏水的内衬聚四氟乙烯中并密封于不锈钢釜，分别在120~180℃温度下反应12~72小时，固体产物经洗涤、离心分离和干燥处理可得纳米ZrO₂。

上述的一种高比表面积纳米二氧化锆的合成方法，其特征在于所述的有机溶剂是环己醇、苯甲醇、乙醇。

上述的一种高比表面积纳米二氧化锆的合成方法，其特征在于所述的反应温度为120~180℃，反应时间为12~72小时。

上述的一种高比表面积纳米二氧化锆的合成方法，其特征在于所述的锆源（Zr(OC₄H₉)₄）与有机溶剂的摩尔比为0.01~0.02。

本发明一种高比表面积二氧化锆及其合成方法具有如下优点：

（1）        所合成的纳米二氧化锆在乙醇溶剂中具有高分散性（如图1(a)）与高比表面积（高达448 m²·g^-1）；

（2）        所合成的纳米二氧化锆在有机溶剂的辅助作用下即可获得高的结晶度且无需高温煅烧（如图1(b)中清晰的晶格），且晶相主要受合成温度所控制（合成温度低于160℃所得样品均为四方相，而高于160℃则出现四方相和单斜相混合相）；

（3）    所合成的纳米二氧化锆具有超细的晶粒径且随着合成温度和合成

时间的增加而增大（粒径介于2.0~4.3nm）。

附图说明