Способ получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия - RU2673801C1
Код документа: RU2673801C1
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к области проектирования обработки материалов, в частности, к способу получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Являясь новым функциональным материалом с прекрасными характеристиками, оксид церия (CeO2) играет ключевую роль в новейших технологиях, условиях среды и вопросах в сфере энергетики, таких как удаление оксидов азота из автомобильных выхлопных газов. Кроме того, высокая подвижность кислородной вакансии и ионная проводимость оксида церия используются для производства электродов из твердооксидных топливных элементов, а уникальная электронная конфигурация оксида церия используется в косметической и стекольной промышленностях для поглощения ультрафиолетового излучения и производства светособирающих устройств и оптических дисплеев и т.д. Электродвижущая сила между электродами из Се3+/Се4+ меньше, в то время как материал из CeO2 - это полуоткрытая фтористая кристаллическая структура, и потому CeO2 может отщеплять O2 при нахождении во внешней среде с недостатком кислорода, а также поглощать О2 при нахождении в среде, обогащенной кислородом, при исходном условии сохранения устойчивости кристаллической структуры. Ввиду того, что материал из CeO2 обладает способностью удерживать и отщеплять кислород, частицы кислорода в газовой фазе могут быть перенесены на твердую поверхность посредством «респираторного эффекта» CeO2 в процессе гетерогенного катализа, тем самым стимулируя процесс катализа. Следовательно, изучение каталитических материалов, основанных на оксиде церия, очень важно. Кроме того, Хассанзадех-Табризи и соавт. из иранского университета Тарбиат Модарес в 2011 году получили композитный материал из Al2O3-CeO2 путем спекания. Исследования показывают, что в сравнении с одним Al2O3 добавление CeO2 подавляет рост кристаллических зерен Al2O3 и повышает трещиностойкость на 28%, а прочность на изгиб - на 17%, что демонстрирует, что для CeO2 также имеется предпочтительная перспектива применения в рамках усовершенствования механических свойств Al2O3 (Журнал Американского общества керамики, 2011, 94(10), с. 3488-3493).
Способ нанесения наночастиц CeO2 на керамические подложки считается предпочтительным для существенного улучшения кислородной емкости CeO2, повышения спекаемости и механических свойств композитных материалов из керамики. Общие способы нанесения включают в себя: помол в шаровой мельнице, пропитку и золь-гель, что времязатратно и зачастую приводит к неудовлетворительному распределению или образованию токсичных жидких отходов. В 2014 году Пурнаджаф и соавт. из Исламского университета Азад в Иране синтезировали порошкообразный композитный наноматериал Al2O3-CeO2 методом обратной микроэмульсии, при котором размер и форма порошка регулируются посредством изменения активности поверхности натрия додецилсульфата, гексадецилметиламмония бромида и полиоксиэтилен додецилового эфира, но что также может привести к проблемам с затратами времени и загрязнением окружающей среды. С другой стороны, воздействие прекурсора и раствора для синтеза CeO2 весьма многосложно. Следовательно, воспроизводимость очень низка (Ceramics International, 2014, 40(3), с. 4933-4937). Способ химического разложения в паровой фазе - относительно новый способ нанесения наночастиц на подложки, обеспечивающий достаточный контакт между порошком и реакционными газами во вращающейся печи для химического осаждения в паровой фазе для получения, тем самым, равномерно распределенных наночастиц. По сравнению с общим методом использования жидких реактивов преимуществом метода химического осаждения в паровой фазе является то, что не используется какой-либо раствор. Следовательно, устраняются процесс последующей обработки и проблема загрязнения окружающей среды. Важные факторы влияния способа химического осаждения в паровой фазе включают скорость подачи прекурсора, кислорода, скорость вращения или что-либо подобное ей, а также регулировку емкости и размеров частиц посредством условий, приведенных выше.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения: решение технических проблем, существующих на предыдущем уровне техники, цель настоящего изобретения - предложение метода получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия, заключающегося в нанесении наночастиц оксида церия на поверхность подложки из керамического порошка из оксида алюминия, и регулировке размера частиц и микроструктуры композитного материала, получаемого посредством изменения экспериментальных параметров реакции между органическими материалами и кислородом, для снижения, тем самым, выброса ядовитых отходов.
Техническое решение: для реализации технического объекта, приведенного выше, в изобретении предлагается метод получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия, включающий следующие этапы:
(1) использование органометаллического прекурсора оксида церия в качестве материала CeO2 и разогрев этого органометаллического прекурсора в испарителе сырья для выпаривания, температура в котором составляет от 100 до 300°C;
(2) предварительная подготовка порошка Al2O3 путем сушки с последующим помещением предварительно подготовленного порошка Al2O3 в камеру для химического осаждения из паровой фазы, вакуумированием при 5-20 Па, а также предварительным нагревом, причем температура предварительного нагрева составляет от 500 до 800°C;
(3) подача газовой смеси из кислорода, газообразного аргона и выпаренного материала CeO2 во вращающийся реактор и проведение химического осаждения из паровой фазы с вращением при высокой температуре для получения органометаллического прекурсора церия, подлежащего расщеплению на CeO2 и нанесению на порошок Al2O3;
(4) остановка вращения камеры для химического осаждения по завершении реакции, закрытие клапана, охлаждение до комнатной температуры и извлечение плакированного порошка; и
(5) измельчение и просеивание порошка, полученного на этапе (4).
Предпочтительно, чтобы на этапе (1) органометаллический прекурсор церия представлял собой либо Ce(DPM)4, изооктаноат церия, Ce(C5H5)3, либо ацетат церия.
На этапе (2) средний размер частиц порошка Al2O3 составляет от 0,1 до 100 мкм, а чистота порошка составляет не менее 95%.
На этапе (2) скорость нагрева в процессе предварительного нагрева составляет от 2 до 10°C/мин.
На этапе (3) условия химического осаждения из паровой фазы с вращением следующие: температура реакции от 600 до 800°C, скорость вращения камеры для химического осаждения из паровой фазы от 20 до 60 об./мин, а реакция теплоизоляции составляет от 0,5 до 4 ч, причем расход газообразного аргона составляет от 80 до 100 н.м3/мин, а расход кислорода - от 10 до 100 н.м3/мин.
Полное давление подаваемой газовой смеси из кислорода и газообразного аргона составляет от 200 до 1000 Па, а парциальное давление кислорода - от 50 до 200 Па.
На этапе (2) температура предварительной подготовки порошка Al2O3 путем сушки составляет от 80 до 100°C, размер ячейки сита для просеивания порошка составляет от 50 до 200 меш, а порошок просеивается три раза.
На этапе (5) размер ячейки сита для просеивания порошка составляет от 50 до 200 меш, а порошок просеивается три раза.
Порошкообразный материал из оксида церия на подложке из оксида алюминия, полученный по предшествующему методу получения, также включен в объем правовой охраны по настоящему изобретению.
Положительные эффекты: технология химического осаждения из паровой фазы с вращением в настоящем изобретении используется для непосредственного осаждения наночастиц CeO2 на подложку из Al2O3 для синтеза композитного материала CeO2-Al2O3. Получаемый размер частиц и нанесение композитного материала регулируются посредством изменения экспериментальных параметров реакции между органическими материалами и кислородом так, чтобы CeO2 равномерно распределялся по подложке из Al2O3, что существенно улучшает коэффициент емкости материалов и надежность изделий, обладает коротким периодом получения, и при этом в настоящем методе получения не используется какой-либо раствор. Тем самым, предотвращается проблема обработки отработанного раствора. Кроме того, настоящий метод экологически безвреден и значительно снижает затраты на производство, тем самым обладая прекрасной перспективой для промышленного использования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлено изображение наночастиц CeO2 на просвечивающем электронном микроскопе, полученных при экспериментальных параметрах по варианту осуществления 3; и
фиг. 2 представляет собой дифракционную рентгенограмму композитного порошкообразного материала, полученного при экспериментальных параметрах по варианту осуществления 3.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Представленное далее - предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения исключительно для наглядного представления о нем, но не для его ограничения, и усовершенствования, выполняемые по настоящему описанию, включены в объем правовой охраны, как приводится в прилагаемой формуле изобретения.
Вариант осуществления 1
В настоящем изобретении предлагается способ получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия, включающий следующие этапы:
(1) использование 1 г Ce(DPM)4 в качестве органического материала и нагрев этого материала в испарителе до 250°C;
(2) сушка 5 г порошка Al2O3 (средний размер частиц порошка Al2O3 составлял 100 мкм, а чистота - не менее 95%) в течение 2 ч при 80°C, последующее помещение порошка Al2O3 в камеру для химического осаждения из паровой фазы, вакуумирование при 7 Па и нагрев до 500°C при скорости предварительного нагрева 10°C/мин;
(3) подача газовой смеси из кислорода, газообразного аргона и выпаренных материалов во вращающийся реактор, расход газообразного аргона в котором составил 100 н.м3/мин, а кислорода - 10 н.м3/мин, с последующей регулировкой давления в реакционной камере, полное давление в которой составило 200 Па, а парциальное давление кислорода - 50 Па. Температура во время покрытия составила 600°C, скорость вращения реактора составила 45 об./мин, и в течение 0,5 ч проводилась теплоизоляция для расщепления и нанесения Ce(DPM)4 на порошок Al2O3;
(4) остановка вращения камеры для химического осаждения по завершении реакции, закрытие клапана, охлаждение до комнатной температуры и извлечение плакированного порошка; и
(5) измельчение и просеивание порошка, полученного на этапе (4).
Полученный композитный материал CeO2-Al2O3 был взвешен, подвергнут анализу и осмотрен посредством дифракционной рентгенограммы, просвечивающего электронного микроскопа, энергетического спектра и т.д. Массовая концентрация CeO2 в полученном композитном порошке составила 0,5% масс., средний размер частиц CeO2 составил 8 нм, а вещество CeO2 было нанесено равномерно.
Вариант осуществления 2
В настоящем изобретении предлагается способ получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия, включающий следующие этапы:
(1) использование 3 г Ce(DPM)4 в качестве органического материала и нагрев этого материала в испарителе до 100°C;
(2) сушка 5 г порошка Al2O3 (средний размер частиц порошка Al2O3 составлял 50 мкм, а чистота - не менее 95%) в течение 2 ч при 80°C, последующее помещение порошка Al2O3 в камеру для химического осаждения из паровой фазы, вакуумирование при 5 Па и нагрев до 600°C при скорости предварительного нагрева 2°C/мин;
(3) подача газовой смеси из кислорода, газообразного аргона и выпаренных материалов во вращающийся реактор, расход газообразного аргона в котором составил 100 н.м3/мин, а кислорода - 10 н.м3/мин, с последующей регулировкой давления в реакционной камере, полное давление в которой составило 500 Па, а парциальное давление кислорода - 100 Па. Температура во время покрытия составила 600°C, скорость вращения реактора составила 45 об./мин, и в течение 1 ч проводилась теплоизоляция для расщепления и нанесения Ce(DPM)4 на порошок Al2O3;
(4) остановка вращения камеры для химического осаждения по завершении реакции, закрытие клапана, охлаждение до комнатной температуры и извлечение плакированного порошка; и
(5) измельчение и просеивание порошка, полученного на этапе (4).
Полученный композитный материал CeO2-Al2O3 был взвешен, подвергнут анализу и осмотрен посредством дифракционной рентгенограммы, просвечивающего электронного микроскопа, энергетического спектра и т.д. Массовая концентрация CeO2 в полученном композитном порошке составила 1,2% масс., средний размер частиц CeO2 составил 6 нм, а вещество CeO2 было нанесено равномерно.
Вариант осуществления 3
В настоящем изобретении предлагается способ получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия, включающий следующие этапы:
(1) использование 10 г Ce(DPM)4 в качестве органического материала и нагрев этого материала в испарителе до 100°C;
(2) сушка 5 г порошка Al2O3 (средний размер частиц порошка Al2O3 составлял 10 мкм, а чистота - не менее 95%) в течение 2 ч при 80°C, предварительная подготовка порошка путем троекратного просеивания через сито с ячейками размером 100 меш, последующее помещение подготовленного порошка Al2O3 в камеру для химического осаждения из паровой фазы, вакуумирование при 5 Па и нагрев до 600°C при скорости предварительного нагрева 5°C/мин;
(3) подача газовой смеси из кислорода, газообразного аргона и выпаренных материалов во вращающийся реактор, расход газообразного аргона в котором составил 100 н.м3/мин, а кислорода - 10 н.м3/мин, с последующей регулировкой давления в реакционной камере, полное давление в которой составило 1000 Па, а парциальное давление кислорода - 300 Па. Температура во время покрытия составила 800°C, скорость вращения реактора составила 45 об./мин, и в течение 2 ч проводилась теплоизоляция для расщепления и нанесения Ce(DPM)4 на порошок Al2O3;
(4) остановка вращения камеры для химического осаждения по завершении реакции, закрытие клапана, охлаждение до комнатной температуры и извлечение плакированного порошка; и
(5) измельчение и просеивание порошка, полученного на этапе (4).
Полученный композитный материал CeO2-Al2O3 был взвешен, подвергнут анализу и осмотрен посредством дифракционной рентгенограммы, просвечивающего электронного микроскопа, энергетического спектра и т.д. Результаты представлены на фиг. 1 и 2, причем на фиг. 1 представлено изображение наночастиц CeO2 на просвечивающем электронном микроскопе, а на фиг. 2 - дифракционная рентгенограмма полученного порошкообразного композитного материала. Массовая концентрация CeO2 в полученном композитном порошке составила 5,2% масс., средний размер частиц CeO2 составил 13 нм, а вещество CeO2 было нанесено равномерно.
Вариант осуществления 4
В настоящем изобретении предлагается способ получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия, включающий следующие этапы:
(1) использование 10 г Ce(DPM)4 в качестве органического материала и нагрев этого материала в испарителе до 300°C;
сушка 5 г порошка Al2O3 (средний размер частиц порошка Al2O3 составлял 1 мкм, а чистота - не менее 95%) в течение 2 ч при 80°C, предварительная подготовка порошка путем троекратного просеивания через сито с ячейками размером 200 меш, последующее помещение подготовленного порошка Al2O3 в камеру для химического осаждения из паровой фазы, вакуумирование при 10 Па и нагрев до 700°C при скорости предварительного нагрева 5°C/мин;
(3) подача газовой смеси из кислорода, газообразного аргона и выпаренных материалов во вращающийся реактор, расход газообразного аргона в котором составил 100 н.м3/мин, а кислорода - 10 н.м3/мин, с последующей регулировкой давления в реакционной камере, полное давление в которой составило 800 Па, а парциальное давление кислорода - 200 Па. Температура во время покрытия составила 700°C, скорость вращения реактора составила 45 об./мин, и в течение 2 ч проводилась теплоизоляция для расщепления и нанесения Ce(DPM)4 на порошок Al2O3;
(4) остановка вращения камеры для химического осаждения по завершении реакции, закрытие клапана, охлаждение до комнатной температуры и извлечение плакированного порошка; и
(5) измельчение и просеивание порошка, полученного на этапе (4).
Полученный композитный материал CeO2-Al2O3 был взвешен, подвергнут анализу и осмотрен посредством дифракционной рентгенограммы, просвечивающего электронного микроскопа, энергетического спектра и т.д. Массовая концентрация CeO2 в полученном композитном порошке составила 4,5% масс., средний размер частиц CeO2 составил 10 нм, а вещество CeO2 было нанесено равномерно.
Вариант осуществления 5
В настоящем изобретении предлагается способ получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия, включающий следующие этапы:
использование 8 г Ce(DPM)4 в качестве органического материала и нагрев этого материала в испарителе до 200°C;
сушка 5 г порошка Al2O3 (средний размер частиц порошка Al2O3 составлял 0,1 мкм, а чистота - не менее 95%) в течение 2 ч при 80°C, предварительная подготовка порошка путем троекратного просеивания через сито с ячейками размером 100 меш и 300 меш, последующее помещение подготовленного порошка Al2O3 в камеру для химического осаждения из паровой фазы, вакуумирование при 8 Па и нагрев до 650°C при скорости предварительного нагрева 4°C/мин;
(3) подача газовой смеси из кислорода, газообразного аргона и выпаренных материалов во вращающийся реактор, расход газообразного аргона в котором составил 100 н.м3/мин, а кислорода - 10 н.м3/мин, с последующей регулировкой давления в реакционной камере, полное давление в которой составило 800 Па, а парциальное давление кислорода - 300 Па. Температура во время покрытия составила 650°C, скорость вращения реактора составила 45 об./мин, и в течение 2 ч проводилась теплоизоляция для расщепления и нанесения Ce(DPM)4 на порошок Al2O3;
(4) остановка вращения камеры для химического осаждения по завершении реакции, закрытие клапана, охлаждение до комнатной температуры и извлечение плакированного порошка; и
(5) измельчение и просеивание порошка, полученного на этапе (4).
Полученный композитный материал CeO2-Al2O3 был взвешен, подвергнут анализу и осмотрен посредством дифракционной рентгенограммы, просвечивающего электронного микроскопа, энергетического спектра и т.д. Массовая концентрация CeO2 в полученном композитном порошке составила 4,0% масс., средний размер частиц CeO2 составил 9 нм, а вещество CeO2 было нанесено равномерно.
Предшествующее описание раскрытых вариантов осуществления позволяет специалистам использовать настоящее изобретение. Различные модификации настоящих вариантов осуществления будут очевидны для специалистов, а общие принципы, представленные в настоящем документе, могут быть воплощены в других вариантах осуществления изобретения без отступления от существа и объема настоящего изобретения. Следовательно, настоящее изобретение не будет ограничиваться вариантами осуществления, приведенными в настоящем документе, но будет максимально широко соответствовать принципам и элементам новизны, раскрытым в настоящем документе.
Реферат
В изобретении раскрывается способ получения порошкообразного материала из оксида церия на подложке из оксида алюминия. Органометаллический прекурсор церия должным образом расщепляется на наночастицы CeOпри температуре 500-700°C в условиях кислородной среды методом химического осаждения в паровой фазе, и наночастицы CeOравномерно наносятся на подложку из AlO. Расщепление прекурсора CeOускоряется за счет изменения экспериментальных параметров реакции между органическими материалами и кислородом для контроля размера и микроструктуры порошка, тем самым позволяя получить и равномерно нанести наночастицы оксида церия, а также предотвратить проблему генерирования токсичного отработанного раствора во время реакции. Способ по настоящему изобретению прост, обладает коротким периодом получения, а полученные наночастицы оксида церия наносятся равномерно и могут быть использованы как каталитические и функциональные материалы, а также обладают широким потенциалом применения во многих областях. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
