專利名稱：一種在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法。
背景技術(shù)：
多孔材料具有大的比表面積，其中曲折連通的孔隙不僅可延長流體流過的通路，還可為一些微觀合成反應(yīng)提供模板，因而廣泛用于催化、過濾、吸附和微反應(yīng)等領(lǐng)域。稀土金屬氧化物材料具有高的催化性能、氧離子電導(dǎo)率和儲氧能力，因而廣泛用于高溫 燃料電池/電解池、氧透過膜、催化劑載體和儲氧材料等領(lǐng)域，把稀土金屬氧化物材料粉體制成納米棒，并引入到多孔材料中，可利用一維納米粉體(納米棒)特殊的力學(xué)、電學(xué)、催化等性質(zhì)增強(qiáng)多孔材料在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的性能。但是，目前尚未有向多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的工藝方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種工藝簡單高效、合成溫度低、經(jīng)濟(jì)效益好的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法。根據(jù)本發(fā)明實施例的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，包括以下步驟a)提供稀土金屬離子水溶液，并將所述稀土金屬離子水溶液注入多孔材料中以使所述多孔材料吸收所述稀土金屬離子水溶液；b)提供具有預(yù)定氫氧根離子濃度的堿水溶液，并將吸收了所述稀土金屬離子水溶液的多孔材料浸入所述堿水溶液中以使所述稀土金屬離子和所述堿水溶液反應(yīng)；c)將浸有所述多孔材料的堿水溶液放入高壓釜內(nèi)，在預(yù)定溫度下反應(yīng)后取出多孔材料；d)將反應(yīng)后的多孔材料清洗后進(jìn)行熱處理，得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。根據(jù)本發(fā)明實施例的在多孔材料中弓丨入稀土金屬氧化物納米棒的方法，可用于向任何具有足夠孔徑和強(qiáng)度的多孔材料中引入多種稀土金屬氧化物納米棒，所引入的稀土金屬氧化物納米棒可在多孔材料中均勻分布形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于體現(xiàn)棒狀材料的特殊性質(zhì)；合成溫度低，工藝簡單，整個工藝過程高效、經(jīng)濟(jì)，適合工業(yè)化應(yīng)用。另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，還可以具有如下附加的技術(shù)特征根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述稀土金屬離子水溶液中含有無水乙醇，且所述稀土金屬離子水溶液中的水與無水乙醇的體積比為(I 3) I。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述稀土金屬離子為三價稀土金屬離子。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述三價稀土金屬離子為選自La3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、GcT和Dy3+中的一種或多種。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述步驟b)包括b_l)將無機(jī)堿溶于水，配制所述堿水溶液；b-2)將注有所述稀土金屬離 子水溶液的多孔材料浸入所述堿水溶液中靜置，其中，所述堿水溶液的濃度被設(shè)定為在氫氧根離子與金屬離子充分反應(yīng)后堿水溶液中含有不低于2mol/L的氫氧根離子。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述靜置時間為l-10min。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述多孔材料中的孔為通孔，所述通孔的孔徑為IOOnm-IOO μ m。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述步驟c)包括c-l)將浸有多孔材料的堿水溶液加入高壓釜內(nèi)膽中，并使內(nèi)膽中堿水溶液的體積為高壓釜內(nèi)膽總?cè)莘e的60-90%;c-2)將高壓釜置于95-120°C下反應(yīng)8-30小時后取出反應(yīng)后多孔材料。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，，所述步驟d)包括d_l)待反應(yīng)后的多孔材料冷卻后取出，用去離子水多次清洗；d-2)將清洗后的多孔材料在空氣中進(jìn)行熱處理，得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述熱處理溫度為60-600°C。本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I是根據(jù)本發(fā)明實施例的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法的流程示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多孔材料的微觀形貌電鏡照片，其中圖2(a)是未引入稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料微觀形貌電鏡照片；圖2(b)是引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料的微觀形貌電鏡照片。
具體實施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，一體地連接，也可以是可拆卸連接；可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。首先，參考圖I描述本發(fā)明所涉及的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法的流程。具體的，本發(fā)明所涉及的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法包括以下步驟a)提供稀土金屬離子水溶液，并將所述稀土金屬離子水溶液注入多孔材料中以使所述多孔材料吸收所述稀土金屬離子水溶液；b)提供具有預(yù)定氫氧根離子濃度的堿水溶液，并將吸收了所述稀土金屬離子水溶液的多孔材料浸入所述堿水溶液中以使所述稀土金屬離子和所述堿水溶液反應(yīng)；c)將浸有所述多孔材料的堿水溶液放入高壓釜內(nèi)，在預(yù)定溫度下反應(yīng)后取出多孔材料；d)將反應(yīng)后的多孔材料清洗后進(jìn)行熱處理，得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。由此，根據(jù)本發(fā)明實施例的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，可用于向任何具有足夠孔徑和強(qiáng)度的多孔材料中引入多種稀土金屬氧化物納米棒，所引入的稀土金屬氧化物納米棒可在多孔材料中均勻分布形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于體現(xiàn)棒狀材料的特殊性質(zhì)；合成溫度低，工藝簡單，整個工藝過程高效、經(jīng)濟(jì)，適合工業(yè)化應(yīng)用。下面結(jié)合示例具體描述根據(jù)本發(fā)明所涉及的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法的各步驟。a)提供稀土金屬離子水溶液，并將所述稀土金屬離子水溶液注入多孔材料中以使所述多孔材料吸收所述稀土金屬離子水溶液。需要理解的是，所述稀土金屬離子水溶液的來源沒有特殊限制，可以采用稀土金屬離子的鹽與水混合溶解得到，所述稀土金屬離子水溶液中的總金屬離子濃度為能夠完全溶于水的任何濃度，且所述稀土金屬離子的鹽可以為任何溶于水的鹽，優(yōu)選地，所述稀土金屬離子為三價稀土金屬離子。進(jìn)一步地，所述三價稀土金屬離子可以為選自La3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+和Dy3+中的一種或多種。為了增強(qiáng)所述稀土金屬離子水溶液對多孔材料表面的潤濕性，可以在所述稀土金屬離子水溶液中加入適量的無水乙醇，優(yōu)選地，所述稀土金屬離子水溶液中的水與無水乙醇的體積比為(I 3) I。關(guān)于多孔材料，需要理解的是，所述多孔材料的選擇沒有特殊限制，只要滿足多孔材料中的孔為通孔，且所述通孔的孔徑為IOOnm-IOOym即可，優(yōu)選地，所述多孔材料可以為由鍶摻雜的錳酸鑭(LSM)和氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)燒結(jié)而成的多孔材料。
將所述稀土金屬離子水溶液注入多孔材料中的方法也沒有特殊限制，只要能將所述稀土金屬離子水溶液注入多孔材料中并使所述多孔材料吸收所述稀土金屬離子水溶液即可。步驟a)的具體操作可以為將含有稀土金屬離子的鹽溶于水，并在其中加入無水乙醇，得到稀土金屬離子水溶液，將稀土金屬離子水溶液注入多孔材料中使多孔材料吸收稀土金屬離子水溶液。
b)提供具有預(yù)定氫氧根離子濃度的堿水溶液，并將吸收了所述稀土金屬離子水溶液的多孔材料浸入所述堿水溶液中以使所述稀土金屬離子和所述堿水溶液反應(yīng)，形成稀土金屬氫氧化物沉淀。其反應(yīng)原理為Re3++0F - Re (OH) 3 I (其中Re3+代表三價稀土金屬離子)。關(guān)于堿水溶液，需要理解的是，具有預(yù)定氫氧根離子濃度的堿水溶液的來源沒有特殊限制，可以是購買所得，也可以通過無機(jī)堿溶于水配制所得，只要滿足堿水溶液的濃度在氫氧根離子與金屬離子充分反應(yīng)后堿水溶液中含有不低于2mol/L的氫氧根離子即可。
其具體操作可以為將無機(jī)堿溶于水，配制堿水溶液；將注有所述稀土金屬離子水溶液的多孔材料浸入所述堿水溶液中靜置形成稀土金屬氫氧化物沉淀，并保證在反應(yīng)完成后堿水溶液中的氫氧根濃度范圍在2-10mol/L。為保證堿水溶液中的氫氧根離子能與稀土金屬離子充分反應(yīng)，優(yōu)選地，靜置時間可以控制在l-10min。c)將浸有所述多孔材料的堿水溶液放入高壓釜內(nèi)，在預(yù)定溫度下反應(yīng)后取出多孔材料，稀土金屬氫氧化物沉淀在濃堿水熱條件下經(jīng)歷溶解重結(jié)晶過程形成納米棒。關(guān)于步驟c)，需要理解的是，其操作步驟沒有特殊限制，只要能達(dá)到滿足多孔材料與堿水溶液的反應(yīng)條件即可。其具體操作可以包括將浸有多孔材料的堿水溶液加入高壓釜內(nèi)膽中，并使內(nèi)膽中堿水溶液的體積為高壓釜內(nèi)膽總?cè)莘e的60-90%;將高壓釜置于95-120°C下反應(yīng)8_30小時后取出反應(yīng)后多孔材料。d)將反應(yīng)后的多孔材料清洗后進(jìn)行熱處理，得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。關(guān)于反應(yīng)后的多孔材料的清洗和熱處理方法沒有特殊限制，例如可以包括以下步驟d-1)待反應(yīng)后的多孔材料冷卻后取出，用去尚子水多次清洗；d-2)將清洗后的多孔材料在60-600°C空氣氛圍中進(jìn)行熱處理，得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。由此，便可得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。下面結(jié)合具體實施例描述根據(jù)本發(fā)明的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法。實施例I將3. 473克六水合硝酸鋪和O. 87克六水合硝酸鐠溶于去離子水和無水乙醇的混合溶劑(其中水和乙醇體積比為5 3)配成10毫升金屬離子水溶液。將12. 8克氫氧化鈉溶于37毫升去離子水得到氫氧化鈉溶液；取I微升金屬離子水溶液注入由鍶摻雜的錳酸鑭(LSM)和氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)燒結(jié)而成的多孔材料中，多孔材料燒結(jié)在致密的YSZ圓片基底上，厚約12微米，覆蓋基底的面積約O. 4418平方厘米，其微觀形貌如圖2(a)所示。將連同基底的多孔材料放入氫氧化鈉溶液中，靜置I分鐘；將含有多孔材料的氫氧化鈉溶液轉(zhuǎn)入高壓釜內(nèi)膽，置于高壓釜內(nèi)，在100°C下水熱反應(yīng)12小時。用去離子水清洗經(jīng)水熱處理的多孔材料，在500°C下煅燒2小時，得到引入有摻鐠氧化鈰納米棒的多孔材料，其微觀形貌如圖2(b)所示。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例 進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
權(quán)利要求
1.一種在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，包括以下步驟 a)提供稀土金屬離子水溶液，并將所述稀土金屬離子水溶液注入多孔材料中以使所述多孔材料吸收所述稀土金屬離子水溶液； b)提供具有預(yù)定氫氧根離子濃度的堿水溶液，并將吸收了所述稀土金屬離子水溶液的多孔材料浸入所述堿水溶液中以使所述稀土金屬離子和所述堿水溶液反應(yīng)； c)將浸有所述多孔材料的堿水溶液放入高壓釜內(nèi)，在預(yù)定溫度下反應(yīng)后取出多孔材料； d)將反應(yīng)后的多孔材料清洗后進(jìn)行熱處理，得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述稀土金屬離子水溶液中含有無水乙醇，且所述稀土金屬離子水溶液中的水與無水乙醇的體積比為(I 3) I。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述稀土金屬離子為三價稀土金屬離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述三價稀土金屬離子為選自La3+、Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+和Dy3+中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述步驟b)包括 b-1)將無機(jī)堿溶于水，配制所述堿水溶液； b-2)將注有所述稀土金屬離子水溶液的多孔材料浸入所述堿水溶液中靜置， 其中，所述堿水溶液的濃度被設(shè)定為在氫氧根離子與金屬離子充分反應(yīng)后堿水溶液中含有不低于2mol/L的氫氧根離子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述靜置時間為l-10min。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述多孔材料中的孔為通孔，所述通孔的孔徑為IOOnm-IOO μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述步驟c)包括 c-1)將浸有多孔材料的堿水溶液加入高壓釜內(nèi)膽中，并使內(nèi)膽中堿水溶液的體積為高壓釜內(nèi)膽總?cè)莘e的60-90% ； c-2)將高壓釜置于95-120°C下反應(yīng)8-30小時后取出反應(yīng)后多孔材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述步驟d)包括 d-1)待反應(yīng)后的多孔材料冷卻后取出，用去離子水多次清洗；d-2)將清洗后的多孔材料在空氣中進(jìn)行熱處理，得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，其特征在于，所述熱處理溫度為60-600°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在多孔材料中引入稀土金屬氧化物納米棒的方法，包括以下步驟a)提供稀土金屬離子水溶液，并將所述稀土金屬離子水溶液注入多孔材料中以使所述多孔材料吸收所述稀土金屬離子水溶液；b)提供具有預(yù)定氫氧根離子濃度的堿水溶液，并將吸收了所述稀土金屬離子水溶液的多孔材料浸入所述堿水溶液中以使所述稀土金屬離子和所述堿水溶液反應(yīng)；c)將浸有所述多孔材料的堿水溶液放入高壓釜內(nèi)，在預(yù)定溫度下反應(yīng)后取出多孔材料；d)將反應(yīng)后的多孔材料清洗后進(jìn)行熱處理，得到引入有稀土金屬氧化物納米棒的多孔材料產(chǎn)物。根據(jù)本發(fā)明所述的方法，合成溫度低，工藝簡單，整個工藝過程高效、經(jīng)濟(jì)，適合工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號C04B38/00GK102633534SQ20121012096
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者任耀宇, 林旭平, 鄧長生, 馬景陶 申請人:清華大學(xué)