一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体为一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法。

背景技术

二氧化锆具有优异的耐热、耐腐蚀和可塑性，已成为新材料领域重要的基础原料。除大量应用于耐火材料外，添加有晶型稳定剂的稳定性二氧化锆广泛用于制造压电元件、陶瓷电容器、气敏元件、固体电解质电池、陶瓷内燃机引擎、光学玻璃和二氧化锆纤维及锆催化剂等，是一种颇具发展前途的功能材料之一。

目前，二氧化锆的制备方法主要包括：固相法、沉淀法、水解法、水热法、溶胶-凝胶法、微乳液法及气相法等。以上方法各有优缺点，从目前的制备技术发展特点可以看到开发成本低廉、质量稳定、易于工业化的工艺技术，仍将是今后研究的重点。因此，本发明旨在开发一种简单、高效的合成高纯纳米二氧化锆新方法。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入氨水调节pH至4～10；室温搅拌20～40min，静置60～120min，得到混合液；

步骤三、将混合液转入水热反应釜，90～110℃反应12～36小时，过滤，洗涤，冷冻干燥；

步骤四、将冷冻干燥后的固体在200～300℃下煅烧3～5小时，得到纳米ZrO

优选的是，所述ZrOCl

优选的是，所述氨水的质量分数为10～25％；

优选的是，所述步骤二和步骤三之间还包括：在混合液中加入离子液体，超声，然后加入超临界装置中，在温度为160～240℃、12～15MP条件下形成超临界氨对混合液处理3～5min。

优选的是，所述离子液体为溴化1-丁基-3-甲基咪唑、溴化1-己基-3-甲基咪唑、1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1,3-二甲基咪唑硝酸盐、1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐中的任意一种；所述离子液体的用量为ZrOCl

优选的是，所述超声采用加压超声，所述加压超声的压力为1.2～2.2MPa；超声频率为30～50KHz，超声功率为600W～1200W。

优选的是，所述步骤四中，在煅烧之前，将冷冻干燥后的固体粉碎后加入超临界装置中，在温度为350℃～375℃、压力为10MPa～15MPa的超临界丙酮-水体系中浸泡10～15min，泄压后降至室温，并用丙酮冲洗，干燥；所述的超临界丙酮-水体系中丙酮与水的体积比为4:1。

本发明至少包括以下有益效果：本发明针对现有纳米二氧化锆合成存在粒径一致性差、纯度低及过程复杂等问题，采用水热辅助溶胶-凝胶方法合成高纯纳米二氧化锆，获得的材料具有粒径小、分布窄、纯度高等特点，该方法具有简单、高效及成本低等优点。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明制备的纳米ZrO

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1～9：

一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置100mL的ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入质量分数为10％的氨水调节pH；室温搅拌30min，静置90min，得到混合液；

步骤三、将混合液转入水热反应釜，100℃反应24小时，过滤，用50℃的去离子水洗涤3次，冷冻干燥；

步骤四、将冷冻干燥后的固体在250℃下煅烧4小时，得到纳米ZrO

其中实施例1～9的具体工艺参数见表1；

表1

实施例10：

一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置100mL 0.4mol/L的ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入质量分数为10％的氨水调节pH至4；室温搅拌30min，静置90min，得到混合液；在混合液中加入溴化1-丁基-3-甲基咪唑，超声，然后加入超临界装置中，在温度为180℃、15MP条件下形成超临界氨对混合液处理4min；所述溴化1-丁基-3-甲基咪唑的用量为ZrOCl

步骤三、将混合液转入水热反应釜，100℃反应24小时，过滤，用50℃的去离子水洗涤3次，冷冻干燥；

步骤四、将冷冻干燥后的固体在250℃下煅烧4小时，得到纳米ZrO

实施例11：

一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置100mL 0.4mol/L的ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入质量分数为10％的氨水调节pH至7；室温搅拌30min，静置90min，得到混合液；在混合液中加入溴化1-丁基-3-甲基咪唑，超声，然后加入超临界装置中，在温度为180℃、15MP条件下形成超临界氨对混合液处理4min；所述溴化1-丁基-3-甲基咪唑的用量为ZrOCl

步骤三、将混合液转入水热反应釜，100℃反应24小时，过滤，用50℃的去离子水洗涤3次，冷冻干燥；

步骤四、将冷冻干燥后的固体在250℃下煅烧4小时，得到纳米ZrO

实施例12：

一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置100mL 0.4mol/L的ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入质量分数为10％的氨水调节pH至10；室温搅拌30min，静置90min，得到混合液；在混合液中加入溴化1-丁基-3-甲基咪唑，超声，然后加入超临界装置中，在温度为180℃、15MP条件下形成超临界氨对混合液处理4min；所述溴化1-丁基-3-甲基咪唑的用量为ZrOCl

步骤三、将混合液转入水热反应釜，100℃反应24小时，过滤，用50℃的去离子水洗涤3次，冷冻干燥；

步骤四、将冷冻干燥后的固体在250℃下煅烧4小时，得到纳米ZrO

实施例13：

一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置100mL 0.4mol/L的ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入质量分数为10％的氨水调节pH至4；室温搅拌30min，静置90min，得到混合液；在混合液中加入溴化1-丁基-3-甲基咪唑，超声，然后加入超临界装置中，在温度为180℃、15MP条件下形成超临界氨对混合液处理4min；所述溴化1-丁基-3-甲基咪唑的用量为ZrOCl

步骤三、将混合液转入水热反应釜，100℃反应24小时，过滤，用50℃的去离子水洗涤3次，冷冻干燥；

步骤四、将冷冻干燥后的固体粉碎后加入超临界装置中，在温度为360℃、压力为12MPa的超临界丙酮-水体系中浸泡15min，泄压后降至室温，并用丙酮冲洗，干燥将干燥后的固体在250℃下煅烧4小时，得到纳米ZrO

实施例14：

一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置100mL 0.4mol/L的ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入质量分数为10％的氨水调节pH至7；室温搅拌30min，静置90min，得到混合液；在混合液中加入溴化1-丁基-3-甲基咪唑，超声，然后加入超临界装置中，在温度为180℃、15MP条件下形成超临界氨对混合液处理4min；所述溴化1-丁基-3-甲基咪唑的用量为ZrOCl

步骤三、将混合液转入水热反应釜，100℃反应24小时，过滤，用50℃的去离子水洗涤3次，冷冻干燥；

步骤四、将冷冻干燥后的固体粉碎后加入超临界装置中，在温度为360℃、压力为12MPa的超临界丙酮-水体系中浸泡15min，泄压后降至室温，并用丙酮冲洗，干燥将干燥后的固体在250℃下煅烧4小时，得到纳米ZrO

实施例15：

一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置100mL 0.4mol/L的ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入质量分数为10％的氨水调节pH至10；室温搅拌30min，静置90min，得到混合液；在混合液中加入溴化1-丁基-3-甲基咪唑，超声，然后加入超临界装置中，在温度为180℃、15MP条件下形成超临界氨对混合液处理4min；所述溴化1-丁基-3-甲基咪唑的用量为ZrOCl

步骤三、将混合液转入水热反应釜，100℃反应24小时，过滤，用50℃的去离子水洗涤3次，冷冻干燥；

步骤四、将冷冻干燥后的固体粉碎后加入超临界装置中，在温度为360℃、压力为12MPa的超临界丙酮-水体系中浸泡15min，泄压后降至室温，并用丙酮冲洗，干燥将干燥后的固体在250℃下煅烧4小时，得到纳米ZrO

对比例1～9：

一种水热辅助溶胶-凝胶法制备高纯纳米二氧化锆的方法，包括以下步骤：

步骤一、配置100mL的ZrOCl

步骤二、在步骤一的料液中加入质量分数为10％的氨水调节pH；室温搅拌30min，静置90min，得到混合液，过滤，用50℃的去离子水洗涤3次，冷冻干燥；

步骤三、将冷冻干燥后的固体在250℃下煅烧4小时，得到纳米ZrO

其中对比例1～9的具体工艺参数见表1。

对实施例1～15和对比例1～9的纳米ZrO

表2

表3

对实施例1～15和对比例1～9的纳米ZrO2粉体进行纯度分析；结果如表4和表5所示；可以看出水热处理所制得产品的纯度明显高于未水热处理，表明采用水热辅助溶胶-凝胶法所制备的二氧化锆粉体具有较高纯度。

表4

表5

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。