《无机材料科学基础》课程教学资源（文献资料）均匀成核原理的应用——均匀沉淀法制备单分散球形稀土氧化物颗粒

均匀成核原理的应用一-均匀沉淀法制备单分散球形稀士氧化物颗粒单分散纳米材料因其均一的尺寸而表现出尺寸效应、表面效应等不同于体相材料的优异性能，同时也是组装具有功能特性纳米结构材料的理想构建基元。单分散稀土氧化物球形颗粒（单分散就是每个球的直径误差在5%以下）在光子晶体，高性能发光材料，模板材料、生物医用材料等领域展现出广泛应用前景。因此，合成单分散纳米颗粒具有十分重要的意义。目前常用的制备稀土氧化物单分散纳米颗粒的方法主要有微乳液法、固相-液相界面转移法等方法。尽管上述方法制备的产品颗粒均匀性好，但产率低，制备成本较高。低成本，高效率的制备单分散纳米颗粒成为目前研究热点。一，问题的提出沉淀法是制备稀土氧化物纳米颗粒的常用方法，具有工艺设备简单、生产成本低等优点。但由于沉淀剂的加入造成反应体系局部的不均匀，使前驱物的成核和生长过程同时进行，先成核的晶粒先长大，造成前驱物晶粒大小不均匀，难于制备单分散的产物。均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。通常加入的沉淀剂，不立刻与被沉淀组分发生反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成，克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。均匀沉淀法制备氧化物纳米粉体，常用的沉淀剂尿素，其水溶液在70℃左右可发生分解反应而生成NH4OH，起到沉淀剂的作用，得到金属氢氧化物或碱式盐沉淀，尿素的分解反应如下：(NH2)2CO+ 3H2O=2NH4OH+ CO2

均匀成核原理的应用 ——均匀沉淀法制备单分散球形稀土氧化物颗粒 单分散纳米材料因其均一的尺寸而表现出尺寸效应、表面效应等 不同于体相材料的优异性能, 同时也是组装具有功能特性纳米结构 材料的理想构建基元。单分散稀土氧化物球形颗粒（单分散就是每个 球的直径误差在 5%以下）在光子晶体，高性能发光材料，模板材料、 生物医用材料等领域展现出广泛应用前景。因此, 合成单分散纳米颗 粒具有十分重要的意义。目前常用的制备稀土氧化物单分散纳米颗粒 的方法主要有微乳液法、固相-液相界面转移法等方法。尽管上述方 法制备的产品颗粒均匀性好，但产率低，制备成本较高。低成本，高 效率的制备单分散纳米颗粒成为目前研究热点。 一．问题的提出 沉淀法是制备稀土氧化物纳米颗粒的常用方法，具有工艺设备简 单、生产成本低等优点。但由于沉淀剂的加入造成反应体系局部的不 均匀，使前驱物的成核和生长过程同时进行，先成核的晶粒先长大， 造成前驱物晶粒大小不均匀，难于制备单分散的产物。 均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中 缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉 淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。通常加入的沉淀剂, 不立刻 与被沉淀组分发生反应, 而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中 缓慢生成，克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局 部不均匀性。 均匀沉淀法制备氧化物纳米粉体，常用的沉淀剂尿素， 其水溶液在 70℃左右可发生分解反应而生成 NH4OH，起到沉淀剂 的作用，得到金属氢氧化物或碱式盐沉淀，尿素的分解反应如下： (NH2)2CO + 3H2O = 2NH4OH + CO2

通过强迫水解方法也可以进行均相沉淀。该法得到的产品颗粒均匀、致密，便于过滤洗涤，是目前工业化看好的一种方法。二。均匀沉淀法制备单分散氧化纳米颗粒的原理以硝酸为原料，尿素为沉淀剂，利用尿素水解反应，在反应体系中缓慢释放沉淀剂，生成前驱体产物。前驱体产物在体系中达到过饱和时，由于反应体系中没有异相表面，前驱体产物成核几率在体系中处处相等，即发生均匀成核。成核消耗大量的前驱体，使过饱和度显著降低。随着尿素水解的继续进行，体系中前驱体达到过饱和时，由于生成了大量的细小前驱体晶核，使前驱体优先在晶核表面沉积，晶核同时缓慢长大。由于反应体系均匀，尿素水解缓慢，前驱体生成缓慢，且消耗到已经形成晶核的生长上，体系过饱度低，新的晶核不能再生成。均匀沉淀法通过控制沉淀剂的释放，使成核和晶核长大过程分开，同时生成的晶核，在均匀的环境中同时长大，形成单分散的产物。三.工艺技术路线以稀土硝酸盐、尿素为主要原料，采用均匀沉淀法制备单分散稀土氧化物工艺过程见图1

通过强迫水解方法也可以进行均相沉淀。该法得到的产品颗粒均 匀、致密, 便于过滤洗涤, 是目前工业化看好的一种方法。 二．均匀沉淀法制备单分散氧化钆纳米颗粒的原理 以硝酸钆为原料，尿素为沉淀剂，利用尿素水解反应，在反应体 系中缓慢释放沉淀剂，生成前驱体产物。前驱体产物在体系中达到过 饱和时，由于反应体系中没有异相表面，前驱体产物成核几率在体系 中处处相等，即发生均匀成核。成核消耗大量的前驱体，使过饱和度 显著降低。随着尿素水解的继续进行，体系中前驱体达到过饱和时， 由于生成了大量的细小前驱体晶核，使前驱体优先在晶核表面沉积， 晶核同时缓慢长大。由于反应体系均匀，尿素水解缓慢，前驱体生成 缓慢，且消耗到已经形成晶核的生长上，体系过饱度低，新的晶核不 能再生成。均匀沉淀法通过控制沉淀剂的释放，使成核和晶核长大过 程分开，同时生成的晶核，在均匀的环境中同时长大，形成单分散的 产物。 三. 工艺技术路线 以稀土硝酸盐、尿素为主要原料，采用均匀沉淀法制备单分散稀 土氧化物工艺过程见图 1

稀土硝酸盐+尿素+水磁力搅拌30min均匀透明的混合溶液水浴中90℃反应一定时间白色前驱物沉淀洗涤干燥缎烧稀土氧化物图1均匀沉淀法制备单分散稀土氧化物工艺流程四．制备结果制备产物的SEM见图2和图3。300nm图2前驱物的SEM照片图3Gd2O3SEM照片（1000℃烧）

图 1 均匀沉淀法制备单分散稀土氧化物工艺流程 四．制备结果 制备产物的 SEM 见图 2 和图 3。 图 2 前驱物的 SEM 照片 图 3 Gd2O3SEM 照片（1000℃煅烧） 均匀透明的混合溶液 白色前驱物沉淀 磁力搅拌 30 min 水浴中 90 ℃反应一定时间 洗涤干燥煅烧 稀土氧化物 稀土硝酸盐+尿素+水