一种超细氧化钪纳米粉体的制备方法.pdf

本发明涉及一种超细氧化钪纳米粉体的制备方法，包括：a）向含有Sc3+的水溶液中加入乙醇、尿素和硫酸铵，均匀混合得到混合溶液，并在85-95℃下反应规定时间后，离心分离得到沉淀物；b）将步骤a）制备的沉淀物洗涤、干燥后，再在1000-1300℃下煅烧，得到超细氧化钪纳米粉体。

权利要求书
1.  一种超细氧化钪纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括：
a）向含有Sc3+的水溶液中加入乙醇、尿素和硫酸铵，均匀混合得到混合溶液，并在85-95℃下反应规定时间后，离心分离得到沉淀物；
b）将步骤a）制备的沉淀物洗涤、干燥后，再在1000-1300℃下煅烧，得到超细氧化钪纳米粉体。

2.  根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，超细氧化钪纳米粉体中掺杂有Yb3+，组成化学式表示为(YbxSc1-x)2O3，x=0.01～0.2，步骤a）的水溶液中还包含Yb3+。

3.  根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，溶解在水溶液中的钪盐和镱盐的制备方法包括：将包含Yb2O3和Sc2O3的原料粉末溶于浓硝酸，并加热浓硝酸，使其中的硝酸和水完全蒸发后得到硝酸镱和硝酸钪。

4.  根据权利要求1-3中任一所述的制备方法，其特征在于，所述混合溶液中包括Sc3+在内的稀土离子浓度之和为0.015—0.030mol/L；所述混合溶液中尿素的浓度为0.5—1.0 M；所述混合溶液中乙醇与水的体积比为1:4—1:5；硫酸铵的量为每100 mL混合溶液中添加0.5—1.0 g。

5.  根据权利要求1-4中任一所述的制备方法，其特征在于，步骤a）中在85-95℃下反应8—12 小时。

6.  根据权利要求1-5中任一所述的制备方法，其特征在于，所述洗涤为先用去离子水洗涤3—4次，再用乙醇洗涤2—3次。

7.  根据权利要求1-6中任一所述的制备方法，其特征在于，所述干燥是在60-90℃下干燥18-24小时。

8.  根据权利要求1-7中任一所述的制备方法，其特征在于，煅烧之前过200-300目筛，在1000-1300℃下煅烧2-4小时。

9.  根据权利要求1-8中任一所述的制备方法，其特征在于，超细氧化钪纳米粉体的颗粒粒径为25—50 nm，纳米粉体具有立方相结构。

说明书一种超细氧化钪纳米粉体的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，涉及透明陶瓷原料粉体的新型制备方法，具体涉及一种超细氧化钪纳米粉体的制备方法。
背景技术
高功率InGaAs半导体二极管激光器(LD)诞生以来(D.Bour,D.Gilbert,K.Fabian,J.Bednarz,M.Ettenberg,Low degradation rate in strained InGaAs/AlGaAs single quantum well lasers,IEEE.Photonic.Tech.Lett.2(1990)173-174.)，Yb3+离子掺杂的激光材料因其4f13组态内唯一的吸收带与该LD的发射带重合而对超快激光系统的小型化、简洁化具有非常重要的意义。
Yb3+作为激活离子，因为只有间隔约为10000cm-1的两个多重态，即基态2F7/2和激发态2F5/2，这使得一些不利于激光运转的效应如激发态吸收、荧光浓度猝灭和上转换等从原理上讲不存在。激光过程发生在上能级2F5/2分裂的最低Stark能级和下能级2F7/2分裂的各子能级之间，形成准三能级的激光运转模式。其上能级的最低Stark能级寿命较长(ms级)，有利于能量的存储和放大。在所有稀土离子中，Yb3+的4f13电子具有最大的自旋-轨道耦合吸收，导致很强的电子-声子耦合，因此具有较大荧光线宽，有利于锁模而获得超快脉冲激光。
氧化钪由于具有稳定性好、光学透明区域宽、热导率高等优点，很早就被认为是优秀的固体激光材料基质(Petermann K,Huber G,Fornasiero L,et al.Rare-earth-doped sesquioxides[J].Journal of luminescence,2000,87:973-975.)，但由于其熔点太高(大于2400℃)，很难制备出性能优良的单晶来。而透明陶瓷的制备，只需要在大约0.7Tm(Tm为材料熔点)的温度下即可进行烧结，且可以进行高浓度掺杂，这意味着氧化钪透明陶瓷将有望成为下一代高功率全固态激光器的增益介质之一。
面向激光应用的透明陶瓷需要极高的致密度和光学透过率，因此对原料粉体有很高的要求。目前针对透明陶瓷原料粉体的制备，还是以传统的球磨为主。而对于Sc2O3粉体的制备，也可采用固相球磨法制备(Jiang B,Hu C,Li J,et al.Synthesis and properties of Yb:Sc2O3transparent ceramics[J].Journal of Rare Earths,2011,29(10):951-953.)，但是破碎效果不佳。这是因为商业粉体是采用氨水共沉淀法制备的，这种方法生产出来的粉体粒径一般较大，有5～20μm，不能直接用来制备透明陶瓷，且这种方法制备的粉体颗粒硬团聚较严重，一般的球磨工艺也难以将其破碎到亚微米级。实验室中更多的是采用碳酸氢铵共沉淀法、尿素均相沉淀法等方法制备(Li J G,Ikegami T,Mori T,et al.Wet‐Chemical Routes Leading to Scandia Nanopowders[J].Journal of the American Ceramic Society,2003,86(9):1493-1499.)，虽然可以制备出一次颗粒粒径在几十到几百纳米的粉体，但都存在粉体颗粒团聚严重的问题。
《掺钕氧化钪激光透明陶瓷纳米粉体的合成及研究》(载于《稀有金属》，2012年3月底36卷第1期，张吉等)一文中提供了一种激光透明陶瓷纳米粉体的制备方法，但是，文中提到的沉淀操作是把氨水和碳酸氢铵作为沉淀剂加到一个欲沉淀的Nd(NO3)3和Sc(NO3)3混合溶液中，使之生成沉淀。这种沉淀方法，在相混的瞬间，在相混的地方，总不免有局部过浓现象，因此整个溶液不是到处均匀的，会引起溶液中其他物质的共沉淀，使沉淀玷污，给过滤和洗涤带来困难；而且，该方法很难应用于大规模生产。
发明内容
本发明旨在克服现有氧化钪纳米粉体制备方法存在的缺陷，本发明提供了一种超细氧化钪纳米粉体的制备方法。
本发明提供了一种超细氧化钪纳米粉体的制备方法，包括：
a)向含有Sc3+的水溶液中加入乙醇、尿素和硫酸铵，均匀混合得到混合溶液，并在85-95℃下反应规定时间后，离心分离得到沉淀物；
b)将步骤a)制备的沉淀物洗涤、干燥后，再在1000-1300℃下煅烧，得到超细氧化钪纳米粉体。
较佳地，超细氧化钪纳米粉体中掺杂有Yb3+，组成化学式表示为(YbxSc1-x)2O3，x＝0.01～0.2，步骤a)的水溶液中还包含Yb3+。
较佳地，溶解在水溶液中的钪盐和镱盐的制备方法包括：将包含Yb2O3和Sc2O3的原料粉末溶于浓硝酸，并加热浓硝酸，使其中的硝酸和水完全蒸发后得到硝酸镱和硝酸钪。
较佳地，所述混合溶液中包括Sc3+在内的稀土离子浓度之和为0.015—0.030mol/L；所述混合溶液中尿素的浓度为0.5～1.0M；乙醇与水的体积比为1:4～1:5；硫酸铵的量为每100mL混合溶液中添加0.5～1.0g。
较佳地，步骤a)中在85-95℃下反应8～12小时。
较佳地，所述洗涤为先用去离子水洗涤3～4次，再用乙醇洗涤2～3次。
较佳地，所述干燥是在60-90℃下干燥18-24小时。
较佳地，煅烧之前过200-300目筛，在1000-1300℃下煅烧2-4小时。
较佳地，超细氧化钪纳米粉体的颗粒粒径为25～50nm，纳米粉体具有立方相结构。
本发明的有益效果：
本发明提供一种制备颗粒粒径小、分散性高、烧结活性高的超细纳米粉体的新方法，以解决现有技术中存在的颗粒粒径较大、团聚较严重等问题。本发明的制备工艺简单易行，方法新颖，成本低，效率高，在激光陶瓷、闪烁陶瓷、红外窗口陶瓷等领域具有广阔的应用前景；本申请技术方案中采用尿素均相沉淀法，即将所有反应物混合均匀后，加热混合溶液，使其中的尿素缓慢分解，释放沉淀所需的离子，因此整个混合溶液可以认为是处处均匀的，且只有很少量与所需产物的溶度积常数(Ksp)相近的产物一起沉淀析出，这就保证了光学材料的纯度；另外，本申请技术方案中创新性地加入了一部分乙醇，使之与水以一定比例混合而作为溶剂，增加了反应的途径，进一步减缓了反应速度，使局部浓度更趋于一致；最后，本申请技术方案可以按比例放大后应用于大规模生产。
附图说明
图1为实施例1所得的超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体的扫描电子显微镜(SEM)照片；
图2为实施例1所得的超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体透射电子显微镜(TEM)照片；
图3为实施例1所得的超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体的X射线衍射(XRD)图谱。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明提供了一种制备超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体的方法，包括以下步骤：
(1)高纯(99.99％)的Yb2O3和Sc2O3以一定比例在70～95℃下溶于浓硝酸(分析纯)，继续加热蒸发掉多余的硝酸和水；
(2)加去离子水稀释，并加入一定量乙醇，加入一定量的分析纯尿素和硫酸铵，搅拌1～2h，置于85～95℃烘箱中反应8～12h；
(3)产物离心收集后去离子水和乙醇洗涤除去未反应完全的反应物，置于60～90℃的烘箱中干燥18～24h；
(4)过筛，在空气中煅烧2～4h。
步骤(1)中所述Yb2O3和Sc2O3的比例表示为化学式(YbxSc1-x)2O3时，x＝0.01～0.2。
作为优选方案，步骤(2)中所述去离子水的量为1000～2000mL。
步骤(2)中总稀土离子的浓度为0.015～0.030M。
步骤(2)中尿素的浓度为0.5～1.0M。
步骤(2)中乙醇与水的体积比为1:4～1:5。
步骤(2)中硫酸铵的量为每100mL混合溶液中添加0.5～1.0g。
步骤(3)中所述洗涤为先用去离子水洗涤3～4次，再用乙醇洗涤2～3次。
步骤(4)中筛为200～300目筛。
步骤(4)中所述煅烧温度为1000～1300℃。
所述超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体的颗粒粒径为25～50nm。
用该方法制备的纳米粉体具有立方相结构。
本发明探索制备的超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体，采用尿素为沉淀剂，硫酸铵为分散剂，同时加入稀土硝酸盐，以水和乙醇为溶剂，制备得到分散性很好的超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体。通常采用尿素均相沉淀法制备时，都只采用水为溶剂，制备出来的粉体团聚较严重。此发明中加入乙醇，以乙醇和水的混合液为溶剂，提高了粉体的分散性。此合成方法简单易行，方法新颖，成本低，效率高。此外，制备得到的Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体颗粒粒径非常小，分散性非常好，以该粉体为原料烧结制备的透明陶瓷具有较高的直线透过率，极具广阔的应用前景。
本发明涉及一种Yb3+掺杂Sc2O3纳米粉体的制备方法。所述的纳米粉体颗粒粒径小且粒径分布均匀(25～50nm)，团聚少，烧结活性高，非常有利于制备高致密的透明陶瓷。用上述粉体制备的Sc2O3基透明陶瓷透过率接近理论值，在超快激光材料、红外窗口材料、闪烁材料等领域具有广泛的应用前景。本发明涉及的合成方法具有简单易行，方法新颖，成本低，效率高等特点。
图1为实施例1所得的超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体的扫描电子显微镜(SEM)照片。由照片可以看出：所制备的Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体颗粒粒径25～50nm，分散性较好；
图2为实施例1所得的超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体透射电子显微镜(TEM)照片。可以看出，粉体由于在1000～1300℃煅烧过，发生了一定程度的烧结；
图3为实施例1所得的超细Yb3+掺杂的氧化钪纳米粉体的XRD图谱，与标准立方相氧化钪的衍射峰对比，可以看出所得粉体全为立方相氧化钪，结晶性很好。
下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
以化学式(YbxSc1-x)2O3称取高纯(99.99％)Yb2O3和Sc2O3共0.030mol，在70℃下溶于浓硝酸(分析纯)，继续加热蒸发掉多余的硝酸和水。再加水1600mL，加乙醇400mL，加入1mol尿素(分析纯)，每100mL混合溶液中加入0.5g硫酸铵(分析纯)作为分散剂，搅拌2h。置于90℃烘箱中反应10h。最后离心，倒掉上层清液，加800mL去离子水搅拌45min，再继续离心。用水重复以上操作4次，再用无水乙醇重复该操作2次。将最后得到的前驱物在70℃烘箱中干燥24h。过200目筛，在空气中1100℃煅烧4h，得到Yb3+:Sc2O3纳米粉体。