[发明专利]一种高性能铈锆固溶体材料的制备方法

说明书

本发明属于固体材料制备技术领域，具体为一种高性能铈锆固溶体材料的制备方法。本发明采用喷雾加料的方式，将金属铈盐、金属锆盐、沉淀剂以及表面活性剂进行均匀混合，并通过调节加料速率，利用溶液中产生的晶种诱导沉淀物的生成，最后经过水热陈化及焙烧过程，得到铈锆复合材料。本发明通过喷雾进料的方式以及对加料速度的控制，利用沉淀前期溶液中产生的微小晶种诱导了沉淀物的形成，提高了沉淀过程的均匀性，从而促进铈锆固溶体的形成。该方法制备过程简单，生产成本低廉，所制备的铈锆固溶体具有结构均一、粒径小、比表面积大、稳定性好等特点，同时具有优良的储/放氧性能，是一种具有大规模生产和工业应用前景的高性能铈锆固溶体材料。

技术领域

本发明属于固体材料制备技术领域，具体涉及一种高性能铈锆固溶体材料的制备方法。

背景技术

现代工业技术的发展，使汽车制造业进入全新的时代，汽车也成为全球各国交通运输的重要组成部分。然而，汽车尾气中的HC、CO和NO_x却成为大气污染的主要来源之一。随着人们对环境保护的日益重视，世界各国对于汽车尾气的排放标准也越来越严格。目前，汽车尾气处理采用的是催化氧化还原技术，使用贵金属负载的陶瓷蜂窝作为催化剂。其中，氧化铈作为一种稀土氧化物，其萤石晶体结构中同时存在+3价和+4价铈离子，具有优异的氧化还原性能以及储氧-释氧性能，因而被广泛应用于制备汽车尾气处理催化剂。但是，单独的氧化铈热稳定性不足，在高温条件下容易发生烧结而使其应用性能下降。研究发现，对氧化铈进行金属离子掺杂，特别是金属锆（Zr⁴⁺）的掺杂，不但可以提高氧化铈的储放氧性能，还可以增强其热稳定性，抑制高温条件导致的比表面积收缩，在用于汽车尾气催化剂时可以有效地应对因空燃比引起的波动，扩大尾气处理的操作窗口，有利于提高催化剂的使用效率。

铈锆固溶体的性能主要受晶粒大小、晶相组成以及掺杂浓度等因素影响。目前，制备铈锆固溶体的方法主要有：溶胶–凝胶法、化学燃烧法、微乳液法以及共沉淀法等。利用溶胶-凝胶法、化学燃烧法、微乳液法等方法制备出的固溶体晶粒可以达到几个纳米大小，具有较大的比表面积和较好的性能。例如，Liotta等人（Journal of Sol-Gel Science andTechnology，2003，28，119）利用溶胶-凝胶法制备的铈锆固溶体材料，经过700℃焙烧8h后的比表面积可以达到84m²/g，且储氧量可以达到167 mmolO₂/molCeO₂。Reddy等人则采用微波辅助的化学燃烧法制备的铈锆固溶体比表面积也可以达到56m²/g（化学燃烧过程中固体表面的温度可能达到1000℃）。然而，在实际生产过程中共沉淀法因工艺简单，容易操作而被广泛，但其制备的铈基固溶体材料通常晶粒较大且晶相分布不均匀，导致比表面积小，催化活性较低。García- García等（Journal of Material Science，2012，47，3204）利用常规的氨水共沉淀法制备的铈锆固溶体在经过1000℃焙烧后比表面积仅为3m²/g。而中国专利（公开号：CN1403377A）通过严格控制沉淀的pH值和反应时间，并在反应体系中加入表面活性剂十二烷基磺酸钠，可以有效的增加产品的稳定性，其制备出的铈锆固溶体材料在经过1000℃焙烧4h后的比表面积可以到达30m²/g以上。因此，对共沉淀法制备工艺进行优化，得到具有高稳定性和高储放氧性能的铈锆固溶体对于该材料的工业化生产和应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高稳定性和高储放氧性能的铈锆固溶体材料的制备方法，本发明提供的铈锆固溶体材料的制备方法，对进料方式进行优化，具体采用二流体喷雾进料的方式，并对进料速率加以控制，利用沉淀前期产生的晶种诱导沉淀前驱体的均匀聚集过程，促进了铈锆固溶体的形成；同时简化了操作过程，提高了生产效率；所制备的铈锆固溶体具有更高的热稳定性及储放氧性能，应用于汽车尾气催化剂中能够使催化剂具有更高的活性和稳定性。

本发明提供的铈锆固溶体材料的制备方法，具体步骤如下：