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1、稀土纳米材料研究进展及应用许佳宁电子信息工程学学院090432125摘要：本文概述了稀土纳米材料近几年的研究进展,重点介绍了稀土纳米材料在陶瓷、催化剂、永磁材料、发光材料、环保材料等领域的应用,对其发展前景进行了展望。关键词：稀土纳米材料 1 引言 稀土元素原子结构特殊,内层4ｆ轨道未成对电子多、原子磁矩高、电子能级极其丰富,几乎可以与所有元素发生反应,形成多价态、多配位数(3～12个)的化合物,具有许多优异的光、电、磁、核等特性[1],被称为“现代工业的维生素”和神奇的“新材料宝库”。 纳米材料是指晶粒
2、尺寸小于100ｎｍ的单晶体或多晶体,由于晶粒细小,使其晶界上的原子数多于晶粒内部的,即产生高浓度晶界,因而使纳米材料有许多不同于一般粗晶材料的性能,如强度和硬度增大、低密度、低弹性模量、高电阻、低热导率等。纳米技术是用单个的原子、分子制造物质的科学技术,以及在单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别与控制的研究和应用[2]。小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应使纳米材料在光、电、磁等方面也表现出许多常规材料不具备的特性。稀土纳米材料集稀土特性和纳米特性于一体,必然会创出非稀土纳米材料和稀土
3、非纳米材料所不具备的优良特性。目前纳米技术与稀土相结合形成的新型材料主要有稀土纳米陶瓷、催化剂、永磁材料、发光材料、环保材料、生物医药材料等。这些新型材料在信息、生命科学等领域必将发挥重要的作用[3-4]。 2 稀土纳米材料的应用 2.1 稀土纳米陶瓷材料 陶瓷是具有悠久历史的材料,陶瓷材料的特点是硬度高、强度高和抗腐蚀性好,即使在高温下也如此。稀土氧化物在精细陶瓷中的应用,主要作为添加剂来改进陶瓷的烧结性、致密度、显微结构等。使用纳米级的Ｙ2Ｏ3、Ｎｄ2Ｏ3、Ｌａ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3等制备的电子陶瓷(电子传感器、电容器等
4、),电性能、热性能和稳定性都得到了许多改善,是电子材料升级的重要方面。基于纳米微粒径小、比表面大并有高的扩散速率的特点,用纳米Ｙ2Ｏ3和ＺｒＯ2能在较低温度下烧结成氧化锆陶瓷,具有很高的强度和韧性,用于轴承、刀具和耐磨零件等。用纳米Ｎｄ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3等制作的多层电容、微波器件,性能大大提高。用稀土纳米陶瓷做成的发动机的工作温度将比现有合金材料的发动机提高200～300℃,热效率提高20～30%左右。 日本新技术事业集团首创开发了水热法批量生产纳米陶瓷材料,合成了Ｙ2Ｏ3部分稳定的ＺｒＯ2。用ＺｒＯＣｌ2&S226;ＹＣｌ3作为原
5、料,并加入尿素作为沉淀剂,在高压釜内进行水热合成,制得纯度高达99.9%以上、平均粒径为30ｎｍ的微粉。所得产品纯度高,粒度分布窄,结晶性很高。用该粉末烧结而成的材料具有高强度、高韧性、高离子导电性能,可用于制造切削工具、模具和传感器等[5]。 2.2 稀土纳米催化剂 在许多化学反应中,使用稀土催化剂,若使用稀土纳米催化剂,催化活性、催化效率将大幅提高。因为,纳米微粒尺寸小,表面所占的体积百分数大,表面的键态和电子态与颗粒内部不同,表面原子配位不全,导致表面活性位置增加,通过对纳米微粒表面形态的研究表明,随着粒径减小,表面光
6、滑程度变差,形成了凹凸不平的原子台阶,从而增加了化学反应的接触面,产生高扩散通道,大大增加催化反应活性点。这就意味着稀土纳米粒子催化剂具有良好的催化效果。稀土纳米催化剂一般用在石油催化裂化和汽车尾气的净化处理方面。 将纳米氧化钕引入铝-铬催化剂组成中,制成纳米Ｎｄ2Ｏ3Ａｌ2Ｏ3-Ｃｒ2Ｏ3复合催化剂,能改变催化剂在正辛烷脱氢和脱氢环化中的选择性,如引入3%Ｎｄ2Ｏ3时铝-铬催化剂(8%Ｃｒ2Ｏ3)用共沉淀法或浸渍法制备,在500℃和体积空速时05ｈ-1当无助催化的催化剂存在时,不饱和烃的收率为11%～13%,芳烃收率为34%～3
7、5%,带添加剂的催化剂则可生产不饱和烃15%～16%,而芳烃收率却降至15%～19%。当把2%～45%的氧化钕引入铝-铬催化剂后,环己烷脱氢时苯的收率可增加9倍。 ＣeＯ2是一种优良的催化剂,将纳米粉分散在独柱石等载体上可将汽车尾气中的Ｈ2Ｓ氧化成ＳＯ2[6];可吸附废气中的ＮＯｘ、ＳＯｘ和ＣＯ等有害成分,并与之发生反应;含纳米粉的催化剂可催化合成Ｃ1～Ｃ6的低级醇,将丙烯醛催化氧化成丙烯酸。 2.3 稀土纳米永磁材料 在稀土金属的晶体中,由于4ｆ层电子受到外层5ｓ和5ｐ电子层屏蔽的关系,晶体场对4ｆ电子轨道磁矩作用甚
8、弱,甚至不起作用。所以稀土金属的原子磁矩包含有4ｆ层电子轨道磁矩和自旋磁矩两部分的贡献,而铁元素仅有3ｄ层电子自旋磁矩作贡献。在稀土化合物中3ｄ和4ｆ金属原子磁矩都对化合物的磁矩有贡献,因此其磁性能更为优良
