一种硝酸盐‑尿素燃烧法制备锆酸钇粉体的方法与流程

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种燃烧法制备锆酸钇(y2zr2o7)微晶的新方法。

背景技术：

在过去的几十年中，用于污水、废气和有机污染物等降解的半导体光催化材料引起了人们极大的关注[yupingtong,panpanxue,etal.preparationandcharacterizationofy2zr2o7nanocrystalsandtheirphotocatalyticproperties[j].materialsscienceandengineering:b,2008,150(3):194-198.]。而稀土锆酸盐(ln2zr2o7，ln＝镧系元素，钪sc，钇y)经研究发现，具有良好的光催化活性，这为研究者们寻找理想的光催化材料扩大了潜力材料的范围。

由于元素钇和另一元素铈是地球上含量较大的两种稀土元素，所以相比其他种稀土锆酸盐，对于锆酸钇(y2zr2o7)的研究，具有一定的资源优势。锆酸钇在常温下呈缺陷态萤石结构，属fm3m空间群，属立方晶系。在热障涂层、信息探测、荧光材料和光催化材料方面具有广泛应用[huili,etal.pressure-inducedstructuraltransitionofy2zr2o7[j].journalofalloysandcompounds,2016,660:446-449.]。

现有报道的锆酸钇制备方法主要为溶胶凝胶法、水热法和高温固相烧结法。如jovanímarc等[jovanímarc,sanzana,etal.newred-shadeenvironmental-friendlymultifunctionalpigmentbasedontbandfedopedy2zr2o7forceramicapplicationsandcoolroofcoatings[j].dyesandpigments,133(2016)33-40.]，linhuigao等[linhuigao,yuean,etal.hydrothermalsynthesisandphotoluminescencepropertiesofy2zr2o7:tb³⁺phosphors[j].journalofmaterialsscience,46(2011):1337-1340.]以及huili等[huili,qiangtao,etal.pressure-inducedstructuraltransitionofy2zr2o7[j].journalofalloysandcompounds,660(2016):446-449.]均采用以上提到的方法制得目标产物。以上的方法中，高温固相烧结法缺点在于合成温度高，生成产物尺寸较大，不能控制粒径，由于组分分布不均而存在不纯相，有化学计量损失；单纯的溶胶凝胶法的缺点在于反应物的生成温度较高，反应时间较长。水热法的优点在于克服了组分分布不均，存在化学计量损失的缺点，然而对于设备的要求较高，且反应时间较长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种硝酸盐-尿素燃烧法制备锆酸钇的方法，本发明工艺简单、能在较低温度快速合成高烧结活性的锆酸钇粉体，此方法能够制备出尺寸较小的多孔块状y2zr2o7粉体，且具有较优的光催化性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种硝酸盐-尿素燃烧法制备锆酸钇粉体的方法，包括以下步骤：

1)将y(no3)3·6h2o溶于水中，得到溶液a，将zr(no3)4·5h2o溶于去离子水中，得到溶液b，然后将溶液a和溶液b混合均匀，得到混合溶液，其中，混合溶液中y与zr的摩尔比为1:1；

2)将尿素溶液逐滴加入到混合溶液中，调节ph值为2-6，得到混合液；

3)将混合液室温下搅拌后超声，得到白色凝胶；

4)将白色凝胶高温加热，得到蓬松块体；

5)将蓬松块体在500℃～700℃热处理1～3h，得到锆酸钇粉体。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中溶液a的浓度0.025～0.5mol/l；溶液b的浓度0.025～0.5mol/l。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中混合液中y(no3)3·6h2o的浓度0.0125～0.25mol/l。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中采用氨水调节ph值为2～6。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中尿素与y(no3)3·6h2o的摩尔比为(5～9)：1。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中尿素溶液的浓度为1～2mol/l。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中室温下搅拌的转速为350～500转/分钟，时间为1～2h。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中超声的温度为60℃～80℃，超声频率为40khz，超声功率为1500w，超声时间为5h。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中加热燃烧的温度为280～500℃，时间为10～20min。

本发明进一步的改进在于，进行热处理前进行研磨。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供了一种合成温度低、制备工艺简单的新的合成方法—硝酸盐-尿素燃烧法制备锆酸钇。本发明采用尿素燃烧法，将催化活性组分和催化剂载体等与廉价尿素混合均匀，放入一定温度的高温加热炉中，通过尿素燃烧放出的热量快速形成固体氧化物，制备方法简单，本发明所用方法制备的y2zr2o7粉体的优势在于：(1)反应是非爆炸式的氧化还原放热反应，采用尿素燃烧时生成的co2还可起到造孔和提高固体氧化物比表面积的作用，有利于粉体的光催化活性的提高；(2)前期反应过程在溶液中进行，能够保证化学计量比的精确性和产物成分的均匀性，所得粉料粒度较细且分布均匀(可达亚微米级、甚至纳米级)，并且具有多孔块状形貌，结晶度高，分散性好；(3)避免了高温烧结过程中产生的硬团聚会大大降低粉体的烧结活性，尿素燃烧法能能够促进粉体低温烧结，有利于合成高烧结活性的锆酸钇粉体；(4)工艺简单，便捷，不需要特殊的设备工艺简单易操作，制备成本较低；(5)反应体系温和、可控，燃烧产物杂质极少，产物损失率少，并且尿素燃烧短时间释放的热量，能够促进材料的低温快速合成，相较现有高温固相法具有节能环保的优点。

附图说明

图1为本发明在实例2的条件下制得的块状y2zr2o7的x射线衍射(xrd)图谱。

图2为本发明在实例2条件下所制备的多孔块状y2zr2o7在5万放大倍率下的扫描电镜(sem)照片。

图3为本发明在实施例2条件下所制备y2zr2o7在500w汞灯照射下光催化降解罗丹明b性能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

实施例1

1)分别称量分析纯的y(no3)3·6h2o和zr(no3)4·5h2o于烧杯中，并分别用去离子水溶解，得到y(no3)3·6h2o浓度为0.025mol/l的溶液a和zr(no3)4·5h2o浓度为0.025mol/l溶液b，将溶液a和溶液b混合，得到y(no3)3·6h2o浓度为0.0125mol/l的混合溶液，其中，混合溶液中y与zr的摩尔比为1:1；

2)以尿素作为燃烧剂，采用逐滴加入的方式将1mol/l的尿素溶液加入到搅拌均匀的混合溶液中，其中保持尿素︰y＝5：1的摩尔比，再缓慢滴加浓氨水调节其ph＝6，得到混合液。

3)将混合液经过磁力搅拌器在转速为350转/分钟下搅拌0.5h，得到稳定的透明溶胶液，将稳定的透明溶胶液放入超声仪中，控制温度为80℃，超声频率为40khz，超声功率为1500w，超声5h后，获得白色凝胶。

4)将所得的白色凝胶置于温度已经预热到280℃电炉中，反应20min，促使混合物燃烧，获得蓬松块体。

5)将获得的蓬松块体置于玛瑙研钵中研磨5min，然后置于马弗炉中，在500℃温度下热处理3h，即可得到目标产物锆酸钇(y2zr2o7)。

实施例2

1)分别称量分析纯的y(no3)3·6h2o和zr(no3)4·5h2o于烧杯中，并分别用去离子水溶解，得到溶液a和溶液b，将溶液a和溶液b混合，得到y(no3)3·6h2o浓度为0.2mol/l的混合溶液，其中，混合溶液中y与zr的摩尔比为1:1；

2)以尿素作为燃烧剂，采用逐滴加入的方式将2mol/l的尿素溶液加入到搅拌均匀的混合溶液中，其中保持尿素︰y＝6：1的摩尔比，再缓慢滴加浓氨水调节其ph至5的范围，得到混合液。

3)将混合液经过磁力搅拌器在转速为400转/分钟下搅拌1h，得到稳定的透明溶胶液，将稳定的透明溶胶液放入超声仪中，控制温度为60℃，超声频率为40khz，超声功率为1500w，超声5h后，获得白色凝胶。

4)将所得的白色凝胶置于温度已经预热到350℃电炉中，反应15min，促使混合物燃烧，获得蓬松块体。

5)将获得的蓬松块体置于玛瑙研钵中研磨5min，然后置于马弗炉中，在600℃温度下热处理2h，即可得到目标产物锆酸钇(y2zr2o7)。

从图1可以看出，本发明采用硝酸盐-尿素燃烧法成功制备出y2zr2o7(对比icdd卡片号：01-074-9311)。

从图2可以看出，采用硝酸盐-尿素燃烧法制备的y2zr2o7呈有孔大块形貌。

从图3可以看出，在500w汞灯照射的条件下，本专利所制备出的锆酸钇在2h对浓度为10mg/l的罗丹明b降解率可以达到88％，减去产物吸附和染料自降解作用后净降解率约为69％。

实施例3

1)分别称量分析纯的y(no3)3·6h2o和zr(no3)4·5h2o于烧杯中，并分别用去离子水溶解，得到溶液a和溶液b，将溶液a和溶液b混合，得到y(no3)3·6h2o浓度为0.1mol/l的混合溶液，其中，混合溶液中y与zr的摩尔比为1:1；

2)以尿素作为燃烧剂，采用逐滴加入的方式将1mol/l的尿素溶液加入到搅拌均匀的混合溶液中，其中保持尿素︰y＝7：1的摩尔比，再缓慢滴加浓氨水调节其ph＝4的范围，得到混合液。

3)将混合液经过磁力搅拌器在转速为450转/分钟下搅拌1h，得到稳定的透明溶胶液，将稳定的透明溶胶液放入超声仪中，控制温度为60℃，超声频率为40khz，超声功率为1500w，超声5h后，获得白色凝胶。

4)将所得的白色凝胶置于温度已经预热到350℃电炉中，反应10min，促使混合物燃烧，获得蓬松块体。

5)将获得的蓬松块体置于玛瑙研钵中研磨5min，然后置于马弗炉中，在700℃温度下热处理1h，即可得到目标产物锆酸钇(y2zr2o7)。

实施例4

1)分别称量分析纯的y(no3)3·6h2o和zr(no3)4·5h2o于烧杯中，并分别用去离子水溶解，得到溶液a和溶液b，将溶液a和溶液b混合，得到y(no3)3·6h2o浓度为0.25mol/l的混合溶液，其中，混合溶液中y与zr的摩尔比为1:1；

2)以尿素作为燃烧剂，采用逐滴加入的方式将2mol/l的尿素溶液加入到搅拌均匀的混合溶液中，其中保持尿素︰y＝9：1的摩尔比，再缓慢滴加浓氨水调节其ph＝5的范围，得到混合液。

3)将混合液经过磁力搅拌器在转速为500转/分钟下搅拌2h，得到稳定的透明溶胶液，将稳定的透明溶胶液放入超声仪中，控制温度为70℃，超声频率为40khz，超声功率为1500w，超声5h后，获得白色凝胶。

4)将所得的白色凝胶置于温度已经预热到400℃电炉中，反应20min，促使混合物燃烧，获得蓬松块体。

5)将获得的蓬松块体置于玛瑙研钵中研磨5min，然后置于马弗炉中，在650℃温度下热处理2h，即可得到目标产物锆酸钇(y2zr2o7)。

本发明具有以下优点：

1)此方法制得的产物呈多孔块状形貌，结晶度高，分散性好。

2)此方法不需要特殊设备，工艺简单易操作，制备成本较低。

3)此方法在前期尿素燃烧时，释放的co2可以造孔，促进锆酸钇比表面积的扩大，有利于粉体的光催化活性的提高。

4)尿素燃烧短时间释放的热量，能够促进材料的低温快速合成，相较现有高温固相法具有节能环保的优点。