纳米二氧化铈的制备及应用研究进展

 

纳米材料以其既不同于体相又不同于分子、原子的特殊性质，成为物理、化学及材料科学领域中研究最为广泛的领域之一。纳米材料独特的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应使其表现出不同于常规材料的特殊性能。稀土元素由于具有独特的4f 电子构型，其氧化物具有特殊的光 、电、磁特性 ，被誉为新材料的宝库。二氧化铈是一种价廉且用途广泛的稀 土氧化物引，可广泛应用于汽车尾气净化 、紫外吸收 、化学机械抛光 、燃料电池 、光催化等多个研究领域。 纳米化后的二 氧化铈将 出现 新 的性质 和应 用 ，近年来 ，纳米二氧化铈 的制备及应用成 为了国内外研究者研究 的热点。
一、纳米CeO2的制备方法.目前，制备纳米CeO2的方法主要有沉淀法、溶胶．凝胶法、燃烧法、水热法等。

二、纳米CeO2的应用
1 、汽车尾气净化
    由于纳米二氧化铈VK-Ce01具有特殊的性能，已广泛应用于汽车尾气净化催化剂中。CeO2作为汽车尾气净化催化剂中的助催化剂，作用有两个，一是可以储存或释放氧气(CeO2在氧气不足时释放氧气，在氧气过量时又能储存氧气) ；二是可 以控 制催化剂 中贵金属颗粒 的大小(贵金属微粒 随着纳米 CeO2 的增大而增大，而实验表明，催化剂中贵金属颗粒控制在纳米水平时才具有很高的催化活性) 。因此 ，在汽车尾气净化催化剂中添加纳米CeO2相对于添加普通CeO2存在着以下优点：纳米CeO2比表面大、涂层量高，增加了储氧能力；CeO2处于纳米级可控制催化剂中贵金属微粒处于纳米级，保证了在高温气氛中催化剂的高比表面，从而大大提高了催化活性。鞠文鹏等在催化氧化实验中发现，在温度700 —800 K ，纳米级CeO2的贮氧能力大大高于非纳米级CeO2。而贮氧能力的提高有助于加速反应，从而大大提高其催化活性和催化效率。
2 、紫外吸收
   纳米CeO2粒子在300 ～450 nm 的范 围有宽泛的吸收带 ，并随着粒径的减小 ，吸收带发生红移 ，因此 ，纳米 CeO2 具有较强的紫外光吸收能力，与有机抗紫外线吸收剂相比效率高，可用来制备紫外吸收材料。

3、化学机械抛光

随着光学技术和集成电路 (Ic ) 技术 的高速发展 ，对光学元器件的精密和超精密抛光 、集成 电路 的化学机械抛光 (C M P ) 技术的要求也愈来愈高。
二氧化铈抛光粉 因具有切削能力强 、抛光速率快 、光洁度高 、平整质量好 、劳动条件好 、污染小 、使用寿命 长等优点，而 在光学精密抛光 和 CM P等领域 占有极其重要和不可替代的地位。 以二氧化铈作为研磨颗粒的第二代抛光液通过对材料物理和化学共同作用，克服 了传统硅在尺寸较大的集成 电路浅沟槽隔离处形成蝶形缺 陷的缺点 ，成为目前重点发展的产品类型之一。

4、燃料电池

固体氧化物燃料电池具有效率高、环境友好、对燃料气体适应性强等特点。在固体氧化物燃料电池中，电极起着非常重要的作用。研究表明，立方相萤石结构二氧化铈可以作为固体氧化物燃料电池(SOFC ) 的氧离子导体 的主要基 体材料 。原因有三点：一是CeO2作为一种混合型导体，可以将阳极氧化反应面扩大到 TPB 面以外 ；二是CeO2的离子电导大于YSZ ，可以协助 O ^2-从电解质向阳极传递；三是CeO2易于储存氧和传输氧，纳米级 CeO2 比表面积大，反应活性高，进一步增加了储氧和传递氧的能力。

谢德明等采用柠檬酸硝酸盐燃烧合成了纳米级 CeO2 基阳极支撑平板式固体氧化物燃料电池(SO FC ) 的 电解 质 与 电极材 料 ，研 究 了 SOFC 三 极板[N iO Ce0.8G d0.2 O 1．9 (CGO) ] ， 阳极 ；CGO 电解 质 ；L a_0.6 S r_0.4 Co_0.2Fe_0.8O₃-&(LSC F ) CG O 阴极 ] 的制备工艺 ，对制膜过程 、烧结 工艺 等做 了探讨 ，指出了较佳的制备条件。 结果表明 ，物理混合得到 的阳极优于共燃烧得到的阳极 ；球磨分散得到的阳极致密 ，乳化分散得到的阳极 中 NiO 与 CGO 的分散较为均匀 。

5、光催化

二氧化铈作为N 型半导体材料的一种 ，已有人将其用于光催化降解 染料废水 的研究 ，例如邱克辉等 采用纳米二氧化铈在紫外光照射下降解 甲基橙 ，实验结果表明平均粒径为 10 nm 的二氧化铈粒子对甲基橙具有 一定 的光催化 活性。 张伟 以硝酸亚铈和柠檬酸为原料合成纳米氧化铈，利用所得产物在紫外灯 照射下 降解 甲基蓝 ，结果表 明，纳米CeO2 甲基蓝有较好的降解作用。沈星星采用氨水辅助沉淀法制备纳米二氧化铈催化剂，以酸性二号橙为目标降解物研究其光催化性能，结果显示，酸性二号橙的降解速率与其在氧化铈表面的吸附量有关系。
    纳米二氧化铈VK-Ce01作为一种性能优异的纳米材料，有着十分广阔的应用开发前景。沉淀法具有设备简单、工艺过程好控制等优点，是制备高纯度纳米氧化物最常见的方法。近年来，燃烧法的研究也得到了许多的关注。纳米二氧化铈VK-Ce01特殊的性质和应用，将在汽车尾气净化、紫外吸收、化学机械抛光、燃料电池、光催化以及其他方面得到越来越多的关注。