[发明专利]一种球形纳米二氧化铈的制备方法

说明书

本发明提供一种球形纳米二氧化铈的制备方法。通过以下步骤实现：将铈盐和碱分别溶解在有机溶剂中，然后将两种溶液混合，发生沉淀反应；沉淀反应完成后，向反应体系中加入高分子聚合物，搅拌，得反应混合物；将所得反应混合物在40～220℃下高速剪切分散30min～48h，期间向反应体系中连续鼓入具有氧化性的气体；将所得产物经离心分离取固体物，洗涤，干燥，得球形纳米二氧化铈。本发明方法可以制备出颗粒尺寸为40nm～200nm的单分散、球形纳米CeOsubgt;2/subgt;；同时，本发明方法具备工艺稳定性高、产量大、可操作性强等特点，适合规模化生产。

技术领域

本发明涉及纳米CeO₂的制备领域，具体涉及纳米CeO₂在有机溶剂中的湿法制备。

背景技术

纳米CeO₂具有独特的光、声、电、磁、热等特性，使其在催化、研磨、玻璃、陶瓷、化妆品等领域得到广泛的应用。例如，对氧化膜的有效去除率以及本身的柔软性，使CeO₂成为半导体制造工业中化学机械抛光工艺的主要研磨材料之一。尤其在二氧化硅和氮化硅沉积组成的浅沟槽隔离(STI)化学机械抛光工艺中，得益于纳米CeO₂同时具备对二氧化硅层的高效去除和对二氧化硅与氮化硅的高选择性。使用纳米CeO₂研磨材料进行抛光能实现浅沟槽隔离结构的高抛蚀效率、高平坦度以及低缺陷率。因此，纳米CeO₂成为当前浅沟槽隔离(STI)化学机械抛光的最优选研磨材料。

近几十年的研究结果表明：纳米CeO₂粒子的结构特性是其应用性能的最重要指标之一，其中高分散性且粒度分布窄的球形纳米CeO₂粒子是用于研磨材料、催化材料、抗老化材料等的最佳结构。目前，商业化生产纳米二氧化铈主要是通过铈盐(例如碳酸铈、氢氧化铈或硝酸铈)的热分解，再经机械研磨和分级，最终得到产品。尽管这种方法可以得到高化学活性的CeO₂，但颗粒的尺寸和形状难以控制。

为了克服上述问题，多种制备纳米CeO₂的工艺被提出，具有代表性的包括：水热法、溶胶凝胶法以及熔剂热法等。水热法是以铈盐为原料，以水或有机溶剂为传递介质，在高温高压下生成CeO₂。该方法可通过控制反应参数或加矿化剂和表面活性剂制备具有理想形态特征的CeO₂，但缺点也相当明显：一方面，该方法制备的CeO₂颗粒尺寸一般小于40纳米，这些小尺寸颗粒不满足使用需求(例如化学机械抛光中目标层高除率要求)；另一方面，水热反应中每立方反应体系只能产出1～5kgCeO₂产品，这种低产率也是限制其工业化的阻碍之一。溶胶凝胶法是向含有铈盐的水溶液中加入沉淀剂(例如尿素、碱金属氢氧化物、氨水等)，生成的产物再经过分离、干燥和热处理，得到纳米CeO₂。该方法并未脱离传统方法的本质，干燥过程中极易团聚，在高温热处理中容易转变为硬团聚，仍需后续的机械粉碎和分级，因此产品质量难以根本改善。熔剂热法是铈盐在高温熔盐中的分解，这种工艺方法中，产物的分离和清洗存在较大问题。总的来说：这些方法都具备明显的工艺特性，所制备的产品也都显现出一定的性能特点，但要达到工业化生产规模仍需长时间的探索。

发明内容

本发明的目的是提供一种颗粒分布窄、高分散性的球形纳米CeO₂的制备方法。

本发明采用的技术方案是：一种球形纳米二氧化铈的制备方法，包括如下步骤：

1)将铈盐和碱分别溶解在有机溶剂中，然后将两种溶液混合，发生沉淀反应；

2)沉淀反应完成后，向反应体系中加入高分子聚合物，搅拌，得反应混合物；

3)将步骤2)所得反应混合物在40～220℃下高速剪切分散30min～48h，期间向反应体系中连续鼓入具有氧化性的气体；所述高速剪切的转速为2000rpm～15000rpm；