纳米二氧化锆颗粒的合成及形成机理的研究

作     者：刘力 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周兴平

授予年度：2014年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：油水界面法 纳米二氧化锆颗粒 相转变 种晶 

摘      要：二氧化锆(ZrO2)因其良好的物理和化学性能,可应用于陶瓷、催化、传感器、耐火材料以及耐磨材料等领域。纳米二氧化锆的油溶性的修饰将极大扩展其应用范围,如油溶性的纳米ZrO2颗粒可以作为油相反应的催化剂或催化剂载体,扩大催化应用范围;也可用作润滑油添加剂,提高其耐磨性能等。 二氧化锆有三种晶型,应用较为广泛是四方晶型的二氧化锆(t-ZrO2)和单斜晶型的二氧化锆(m-ZrO2)。不同晶型的纳米ZrO2颗粒的生长机理不同,可以通过不同的合成方法及合成条件来调控晶型。常见的制备方法有共沉淀法、水热法、微乳液法等。共沉淀法和水热法制备的纳米二氧化锆颗粒通常为亲水性的,使其在油相中的应用受到了限制;微乳液法制备的纳米二氧化锆颗粒可为亲油性的,但产物需要焙烧才能得到相应的晶型。而最近新发展的油水界面法具有操作简单、反应条件温和、成本低、无需焙烧即可获得结晶良好的油溶性纳米颗粒等优点。 本论文主要采用油水界面法合成晶型可控、均匀的油溶性纳米ZrO2颗粒并研究其形成机理。本文较详细讨论了反应温度、体系NaOH浓度、反应时间等条件对纳米ZrO2颗粒形成及相转变的影响;着重研究了向反应体系添加相应种晶对产物的晶型和尺寸的影响;深入探索了油水界面法与种晶法相结合制备纳米ZrO2颗粒的合成及相转变机理。 本论文的主要研究成果如下： (1)采用油水界面法制备了油溶性纳米t-ZrO2颗粒,其最佳合成条件为：反应温度100℃、体系NaOH浓度3.0M、反应时间24h。所得颗粒为球状且分散性较好、粒径均一,平均大小为4.0nm。颗粒随反应温度的升高而增大,随体系NaOH浓度的升高而减小。 (2)采用油水界面法成功制备了油溶性纳米m-ZrO2颗粒,其最佳合成条件为：反应温度180℃、体系NaOH浓度3.0M、反应时间24h。所得颗粒为纺锤状且分散性较好,平均大小为491.8×154.3nm。颗粒粒径随反应温度、体系NaOH浓度的增加而增大。 (3)在油水界面法制备纳米ZrO2颗粒的过程中,反应温度、体系NaOH浓度以及反应时间对晶型间的转变有重要影响。其中反应温度对晶型起着主要的影响,高于140℃时为m-ZrO2颗粒;在低于该温度时,体系NaOH浓度低于1.0M时为t-ZrO2和m-ZrO2的混合物,体系NaOH浓度高于1.0M时为t-ZrO2颗粒。 (4)首次将种晶法与纳米ZrO2颗粒的制备相结合,在不改变其他反应条件的情况下,通过向反应体系添加不同晶型的小颗粒种晶,可在较低的温度和体系NaOH浓度下得到相应晶型的纳米颗粒。种晶的加入不仅可以改变产物的晶型,而且颗粒粒径随种晶添加量的增多而减小。 (5)本文初步提出了油水界面法制备纳米二氧化锆颗粒的合成及其相转变机理。当油酸氧锆与OH在界面上反应后,前驱体Zr(OH)x(x-4)-(x=5)和Zr(OH)4在界面上形成ZrO2单体,在适当的条件下,形成亚稳定状态的t-ZrO2晶核。在ZrO2晶体颗粒生长的过程中,ZrO2单体的表面沉积、油酸根的表面吸附以及晶核间自发的团聚三者之间存在着激烈的竞争,且单体的表面沉积所降低的表面能要大得多。所以当反应温度较低且体系NaOH浓度较高时,ZrO2单体的表面沉积能够降低颗粒的表面能,产物生长为t-ZrO2颗粒;当反应温度较高或体系NaOH浓度较低时,单体的表面沉积不足以降低颗粒的表面能,此时已生成的t-ZrO2晶核聚集成m-ZrO2颗粒,以使表面能最小。当表面吸附足够的油酸根而使颗粒具有合适的疏水性时,纳米ZrO2颗粒进入油相,从而使得颗粒表面能最小。此时颗粒停止生长或团聚,达到稳定状态。