稀土納米材料研究進(jìn)展及應(yīng)用

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1、稀土納米材料研究進(jìn)展及應(yīng)用許佳寧電子信息工程學(xué)學(xué)院090432125摘要：本文概述了稀土納米材料近幾年的研究進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了稀土納米材料在陶瓷、催化劑、永磁材料、發(fā)光材料、環(huán)保材料等領(lǐng)域的應(yīng)用,對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：稀土納米材料????1　引言???????????稀土元素原子結(jié)構(gòu)特殊,內(nèi)層4ｆ軌道未成對(duì)電子多、原子磁矩高、電子能級(jí)極其豐富,幾乎可以與所有元素發(fā)生反應(yīng),形成多價(jià)態(tài)、多配位數(shù)(3～12個(gè))的化合物,具有許多優(yōu)異的光、電、磁、核等特性[1],被稱為“現(xiàn)代工業(yè)的維生素”和神奇的“新材料寶庫(kù)”。????納米材料是指晶粒

2、尺寸小于100ｎｍ的單晶體或多晶體,由于晶粒細(xì)小,使其晶界上的原子數(shù)多于晶粒內(nèi)部的,即產(chǎn)生高濃度晶界,因而使納米材料有許多不同于一般粗晶材料的性能,如強(qiáng)度和硬度增大、低密度、低彈性模量、高電阻、低熱導(dǎo)率等。納米技術(shù)是用單個(gè)的原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù),以及在單個(gè)原子、分子層次上對(duì)物質(zhì)存在的種類、數(shù)量和結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行精確的觀測(cè)、識(shí)別與控制的研究和應(yīng)用[2]。小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)使納米材料在光、電、磁等方面也表現(xiàn)出許多常規(guī)材料不具備的特性。稀土納米材料集稀土特性和納米特性于一體,必然會(huì)創(chuàng)出非稀土納米材料和稀土

3、非納米材料所不具備的優(yōu)良特性。目前納米技術(shù)與稀土相結(jié)合形成的新型材料主要有稀土納米陶瓷、催化劑、永磁材料、發(fā)光材料、環(huán)保材料、生物醫(yī)藥材料等。這些新型材料在信息、生命科學(xué)等領(lǐng)域必將發(fā)揮重要的作用[3-4]。????2　稀土納米材料的應(yīng)用????2.1　稀土納米陶瓷材料???陶瓷是具有悠久歷史的材料,陶瓷材料的特點(diǎn)是硬度高、強(qiáng)度高和抗腐蝕性好,即使在高溫下也如此。稀土氧化物在精細(xì)陶瓷中的應(yīng)用,主要作為添加劑來(lái)改進(jìn)陶瓷的燒結(jié)性、致密度、顯微結(jié)構(gòu)等。使用納米級(jí)的Ｙ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3等制備的電子陶瓷(電子傳感器、電容器等

4、),電性能、熱性能和穩(wěn)定性都得到了許多改善,是電子材料升級(jí)的重要方面?；诩{米微粒徑小、比表面大并有高的擴(kuò)散速率的特點(diǎn),用納米Ｙ2Ｏ3和ＺｒＯ2能在較低溫度下燒結(jié)成氧化鋯陶瓷,具有很高的強(qiáng)度和韌性,用于軸承、刀具和耐磨零件等。用納米Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3等制作的多層電容、微波器件,性能大大提高。用稀土納米陶瓷做成的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度將比現(xiàn)有合金材料的發(fā)動(dòng)機(jī)提高200～300℃,熱效率提高20～30%左右。???日本新技術(shù)事業(yè)集團(tuán)首創(chuàng)開發(fā)了水熱法批量生產(chǎn)納米陶瓷材料,合成了Ｙ2Ｏ3部分穩(wěn)定的ＺｒＯ2。用ＺｒＯＣｌ2&S226;ＹＣｌ3作為原

5、料,并加入尿素作為沉淀劑,在高壓釜內(nèi)進(jìn)行水熱合成,制得純度高達(dá)99.9%以上、平均粒徑為30ｎｍ的微粉。所得產(chǎn)品純度高,粒度分布窄,結(jié)晶性很高。用該粉末燒結(jié)而成的材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高離子導(dǎo)電性能,可用于制造切削工具、模具和傳感器等[5]。????2.2　稀土納米催化劑????在許多化學(xué)反應(yīng)中,使用稀土催化劑,若使用稀土納米催化劑,催化活性、催化效率將大幅提高。因?yàn)?納米微粒尺寸小,表面所占的體積百分?jǐn)?shù)大,表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同,表面原子配位不全,導(dǎo)致表面活性位置增加,通過對(duì)納米微粒表面形態(tài)的研究表明,隨著粒徑減小,表面光

6、滑程度變差,形成了凹凸不平的原子臺(tái)階,從而增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面,產(chǎn)生高擴(kuò)散通道,大大增加催化反應(yīng)活性點(diǎn)。這就意味著稀土納米粒子催化劑具有良好的催化效果。稀土納米催化劑一般用在石油催化裂化和汽車尾氣的凈化處理方面。????將納米氧化釹引入鋁-鉻催化劑組成中,制成納米Ｎｄ2Ｏ3Ａｌ2Ｏ3-Ｃｒ2Ｏ3復(fù)合催化劑,能改變催化劑在正辛烷脫氫和脫氫環(huán)化中的選擇性,如引入3%Ｎｄ2Ｏ3時(shí)鋁-鉻催化劑(8%Ｃｒ2Ｏ3)用共沉淀法或浸漬法制備,在500℃和體積空速時(shí)05ｈ-1當(dāng)無(wú)助催化的催化劑存在時(shí),不飽和烴的收率為11%～13%,芳烴收率為34%～3

7、5%,帶添加劑的催化劑則可生產(chǎn)不飽和烴15%～16%,而芳烴收率卻降至15%～19%。當(dāng)把2%～45%的氧化釹引入鋁-鉻催化劑后,環(huán)己烷脫氫時(shí)苯的收率可增加9倍。????ＣeＯ2是一種優(yōu)良的催化劑,將納米粉分散在獨(dú)柱石等載體上可將汽車尾氣中的Ｈ2Ｓ氧化成ＳＯ2[6];可吸附廢氣中的ＮＯｘ、ＳＯｘ和ＣＯ等有害成分,并與之發(fā)生反應(yīng);含納米粉的催化劑可催化合成Ｃ1～Ｃ6的低級(jí)醇,將丙烯醛催化氧化成丙烯酸。????2.3　稀土納米永磁材料????在稀土金屬的晶體中,由于4ｆ層電子受到外層5ｓ和5ｐ電子層屏蔽的關(guān)系,晶體場(chǎng)對(duì)4ｆ電子軌道磁矩作用甚

8、弱,甚至不起作用。所以稀土金屬的原子磁矩包含有4ｆ層電子軌道磁矩和自旋磁矩兩部分的貢獻(xiàn),而鐵元素僅有3ｄ層電子自旋磁矩作貢獻(xiàn)。在稀土化合物中3ｄ和4ｆ金屬原子磁矩都對(duì)化合物的磁矩有貢獻(xiàn),因此其磁性能更為優(yōu)良