納米氧化釔制備工藝研究

張 杰，范佳升，王琳麗

（清遠市嘉禾稀有金屬有限公司，廣東 清遠 511517）

0 引言

氧化釔化學式Y2O3，為白色略帶黃色粉末，不溶于水和堿，溶于酸。由于氧化釔材料具有特殊的晶體結構，成為激光介質材料研究領域中的重要研究對象。立方相的氧化釔具有優(yōu)良的物理化學性質，以及在8～280 nm 波段的寬頻段內有較高透明性；氧化釔的熔點高達2 430 ℃；氧化釔也可以用作制造微波用磁性材料和軍工用重要材料，也用作光學玻璃、陶瓷材料添加劑、大屏幕電視用高亮度熒光粉和其他顯像管涂料；還用于制造薄膜電容器和特種耐火材料，以及高壓水銀燈、激光、儲存元件等的磁泡材料。為了獲得高質量的氧化釔納米材料，人們采用了各種不同的制備方法，比如固相反應法、化學共沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、乳液法、燃燒法等[1-3]。

水熱法具有工藝簡單、設備成本低的優(yōu)點，但生成的粉體易團聚，分離困難。而多級萃取工藝常采用有機試劑作為萃取劑，采用Cyanex272 進行三級萃取的方式，在多級萃取工藝中，首先將廢棄CRT 熒光屏機械破碎后通過一定目數(shù)篩網篩分，去除玻璃等雜質，得到以熒光粉為主的粉體；接著將篩分后的熒光粉氧化酸浸處理，將熒光粉中稀土元素浸出；隨后通過多級萃取法將大部分釔和少部分銪萃取出，再通過反萃得到氯化釔溶液，調節(jié)pH 值至溶液剛好出現(xiàn)白色沉淀；將氯化釔溶液逐滴加入含有分散劑的碳酸氫銨溶液中，制得前驅體；前驅體烘干、焙燒后可制得納米氧化釔粉末；最后將納米氧化釔粉末配入含有分散劑的鍍液中制成復合電鍍液，電鍍在樹脂與碳系導體制成的導電塑料表面，其制備步驟復雜，萃取劑價格昂貴，導致成本較高，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產。

采用沉淀法的制備過程中主要存在兩種情況：一種是為了防止團聚而加入分散劑、表面活性劑、模板劑等表面修飾劑，以促進分散粉體的形成，這種方法不僅提高了成本，而且會對產品的純度造成一定的影響；另一種是采用草酸沉淀工藝，該方式是制備氧化釔粉末最常用的方法之一，采用草酸沉淀工藝方式制備過程中，需要添加草酸，草酸價格昂貴且制備結束后難以處理，會導致環(huán)境污染[4-6]。

為了解決現(xiàn)有技術中制得的氧化釔產品的純度低、粒徑大以及容易造成環(huán)境污染的問題[7-9]，本文開發(fā)一種低成本、操作簡便、高效率、無污染的制備納米氧化釔的方法。

1 納米氧化釔的制備

本實驗以高純氧化純釔為反應原料，純水為溶劑，使用氨水調節(jié)溶液pH，選用不同的沉淀劑，研究制備納米氧化釔的工藝方法，其制備工藝步驟為：

1）溶料：用濃鹽酸在攪拌條件下緩慢溶解1.7 kg氧化純釔，溶解完全后用氨水調節(jié)料液pH 值為3.08，調好pH 后，用純水將料液濃度調節(jié)至0.9 mol/L，調好后裝入20 L 水壺中備用。

2）沉淀劑：配制不同的沉淀劑溶液12.5 L 備用，濃度為2.0 mol/L，沉淀劑分別為碳酸氫銨、草酸、草酸銨溶液。

3）進料：用蠕動泵調節(jié)好流量，料液流量為35 r/min，沉淀劑流量為32 r/min，控制90 min 內加入完13.33 L 純釔料液和11.5 L 沉淀劑。同時用氨水調節(jié)沉淀體系pH 值，使得pH 值保持6.3±0.1（氨水流量在50 r/min 左右）。

4）沉淀反應器中加入18 L 底水，開啟攪拌，攪拌速度為200 r/min，開啟加熱器開始加熱。底水溫度到50 ℃后，開始出現(xiàn)沉淀。

5）陳化：90 min 后停止進料液、沉淀劑和氨水，繼續(xù)保持200 r/min 的速度攪拌30 min 進行陳化。陳化后放出沉淀液后靜置分層，清洗反應器，同時取1 000 mL溶液置于量筒中觀察分層現(xiàn)象。

6）抽濾：排出上清母液（上清液濃度0.00025mol/L），將下層混合液抽濾干，使用50 ℃純水洗滌2 次，抽干，抽濾后低溫烘烤12 h。

7）灼燒：陳化后，將沉淀進行過濾、洗滌、干燥，而后轉入馬弗爐中，在780～820 ℃下灼燒4 h。

2 結果與討論

2.1 粒徑和氯含量

對所制備的氧化釔粉末進行粒徑和氯含量測試，測試結果如表1 所示。從表1 中可以看出，以碳酸氫銨為沉淀劑制備得到的氧化釔粉末粒徑為1.256 μm，樣品粒度符合納米級別的要求；以草酸為沉淀劑制備得到的氧化釔粉末粒徑則達到6.031 μm；以草酸銨為沉淀劑制備得到的氧化釔粉末粒徑為2.185 μm，氯含量也符合要求，但是抽濾過程較難抽干，抽濾后濾餅有點濕，灼燒后呈顆粒狀，操作較為困難。因此，使用碳酸氫銨為沉淀劑制備的氧化釔粉末粒徑最為合適。

表1 粒徑測試結果

圖1 為以碳酸氫銨為沉淀劑制備得到的氧化釔（樣品1）在灼燒溫度為780 ℃時得到的粉體的粒徑測試分布圖。從圖1 中可以看出，樣品1 的灼燒溫度為780 ℃時，粉體的D50粒徑為3.088 μm，而灼燒溫度為820 ℃時，粉體的D50粒徑為1.256 μm，說明粉體的灼燒溫度為820 ℃更適宜。

圖1 灼燒溫度為780 ℃樣品1 的粒度分布圖

2.2 比表面積

測試樣品比表面積采用動態(tài)固體標樣參比法，檢測儀器型號為BSD-2000A。在體積分數(shù)為20%的氮氣吸附質、250 ℃、30 min 吹掃條件下，對實驗所制得納米氧化釔進行比表面積測試。測試結果如圖2 及表2 所示。

圖2 納米氧化釔比表面積測試參比法脫附曲線圖

表2 比表面積測試結果

由圖2 可看出，以碳酸氫銨為沉淀劑所制得的納米氧化釔的峰面積明顯比標準物質的峰面積要大。并且通過表2 對比數(shù)據(jù)可知，以草酸為沉淀劑所制備的氧化釔比表面積相比于標準物質的比表面積雖然有所增大，達到23.363 6 m2/g，但是以碳酸氫銨為沉淀劑的樣品比表面積高達35.276 5 m2/g，明顯比以草酸為沉淀劑所制備的氧化釔比表面積高。另外，采用草酸沉淀工藝方式制備過程中，需要添加草酸，草酸價格昂貴且制備結束后難以處理，會導致環(huán)境污染。

2.3 掃描電鏡

通過掃描電鏡觀察所制備的納米氧化釔的形貌，結果如圖3 所示。由圖3 中可看出，本實驗制備的納米氧化釔粉末呈球狀，而且顆粒均勻、不黏連、分散性好。與普通的片狀或棒狀氧化釔相比，球狀的納米氧化釔具有更大的比表面積，在實際應用上效果更好。

圖3 納米氧化釔的SEM 圖

3 結論

1）以碳酸氫銨作為沉淀劑制備得到的氧化釔符合預期納米級別材料的要求，并且在比表面積等方面顯示出更大的優(yōu)勢。

2）以碳酸氫銨作為沉淀劑制備氧化釔的方法操作簡單快捷、成本較低、不產生污染環(huán)境的廢液，是環(huán)境友好型制備的方法，經濟效益高，符合當代社會的發(fā)展要求。