СПОСОБ СИНТЕЗА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ОКСИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Изобретение относится к области нанотехнологии, получения наночастиц редкоземельных металлов (РЗМ) с применением оксида диспрозия  и мочевины и может найти применение в производстве сверхмощных магнитов в ядерной энергетике, в качестве нейтроно-поглощающего материала и нано электронике.

Известно, что порошки оксидов металлов редкоземельных элементов различного гранулометрического состава получают осаждением из нитратных растворов редкоземельных металлов с последующей фильтрацией осадка, сушкой и термообработкой его до получения порошка оксида [1]. 

Известен способ получения нанокристаллических порошков и керамических материалов на основе смешанных оксидов редкоземельных элементов и металлов, в том числе, оксидов диспрозия, повышением плотности керамических таблеток, полученных на их основе, до 7,5 г/см3 и выше [2].   Способ осуществляется путем соосаждения солей, фильтрации и промывки полученного осадка, сушки с последующим прокаливанием до получения смешанного оксида, его размол, прессование и отжиг полученных компактов. Стадию прокаливания смешанного гидроксида проводят в температурном интервале 800-1200°C, а размол порошков смешанных оксидов осуществляют в планетарной мельнице в течение 18- 36 мин. Главным недостатком описанного способа является образование крупнокристаллических порошков с высокой степенью агрегации (размер агрегатов до 10-15 мкм), что не позволяет получать плотные керамические изделия.

Известен способ получения порошка индивидуальных оксидов лантаноидов, состоящий из разбавления нитрата лантаноида спиртом до молярного соотношения спирта и нитрата лантаноида 20:1-300:1, с последующим сжиганием полученного раствора в емкости или впрыскиванием его в зону горения для получения прекурсора. Порошок прекурсора затем собирают и подвергают термообработке при температуре 400-1200°C с получением оксида лантаноида, который, затем размалывают и получают нанопорошоки оксидов лантаноидов [3]. Недостатком способа является невозможность получить порошки однородного гранулометрического состава, что не позволяет использовать их для получения однородных золей, необходимых в производстве эпитаксиальных пленок жидкофазным способом.

Известен способ получения порошка индивидуальных оксидов лантаноидов, включающий осаждение соли лантаноида из азотнокислых растворов с концентрацией 30-50 г/л по оксиду лантаноида твёрдой щавелевой кислотой, при непрерывном введении полиакриламида. Раствор с концентрацией 0,005-0,015% в количестве 5,0-10,0 мг на 1,0 кг оксида лантаноида, отделение осадка, промывка, сушка при 60-65°C до остаточной влажности 5-6% и термообработку полученного осадка в течение 2,0-2,2 часов в интервале температур 380-825°C в зависимости от свойств индивидуальных лантаноидов [4]. Полученные порошки оксидов лантаноидов характеризуются наноразмерными частицами и однородностью гранулометрического состава. Способ принят за прототип.

Общим недостатком всех указанных способов, в том числе и прототипа, является то, что с уменьшением размеров порошков оксидов редкоземельных металлов усиливается их взаимодействие с компонентами воздуха, поскольку все оксиды редкоземельных металлов гигроскопичны [5]. Повышенная гигроскопичность затрудняет использование таких порошков в водных золях, например, в производстве эпитаксиальных пленок и др. жидкофазным способом.

Целью настоящего изобретения является получение наночастиц оксида диспрозия высокой чистоты и минимальных размеров, с использованием в процессе получения водорастворимой формы и летучих агентов.

Технический результат достигается тем, что в способе получения наноразмерных порошков индивидуальных оксидов лантаноидов, включающем осаждение соли лантаноидов из азотнокислых растворов карбамидом (мочевиной), отделение осадка, промывку, сушку и термообработку при тепературах 500-700оС.

Предложенный способ отличается тем, что в качестве исходного материала для получения  наноразмерных порошков используется дешёвый технический оксид диспрозия, разложение его концентрированной азотной кислотой и выделением наночастиц из раствора мочевиной с соотношением к оксиду 1.0-2.5, нагреванием  раствора при температурах 100-2000С до полного испарения раствора и обжигом осадка при 500-700ºС. Структуру  нанооксида и его размеры анализируют рентгеноструктурным методом. Размеры наночастиц составляли: 18 нм, 17нм и 26нм при температурах 500, 600 и 7000С. Температура обжига была выбрана 6000С, так как при этой температуре получены наименьшие размеры нанооксида.

Нижеприведённые примеры иллюстрируют осуществление способа для получения наноразмерных порошков одного из самых востребованных оксидов лантаноидов – Dy2O3.

ПРИМЕР 1. В круглодонную колбу помещают 1-2 г технического оксида диспрозия, добавляют 15-30 мл. концентрированной азотной кислоты, перемешивают до полного растворения оксида, добавляют при перемешивании 1г мочевины. Полученный реакционный раствор нагревают в открытом реакторе из кислото- и 

термически стойкого материала при температуре 100°C. В процессе нагревания реакционный раствор формирует желеобразную массу и сгорает с выделением углекислого газа, азота и водяного пара, а в реакторе формируется рыхлая масса порошка оксида диспрозия. Реактор снимают с нагревателя и охлаждают до комнатной температуры, выгружают полученный полупродукт в накопительную ёмкость и наливают следующую порцию раствора. После сжигания всего раствора полученный полупродукт перемешивают, после чего его загружают в кварцевые тигли и отжигают 6 часов при температуре 600°C.

Структуру нанооксида и его размеры анализируют рентгеноструктурным методом. Полученные рентгеноструктурные данные нанооксида и его размеры представлены в табл.1.

ПРИМЕР 2. В круглодонную колбу помещают 1-2 г технического оксида диспрозия, добавляют 15-30 мл. концентрированной азотной кислоты, перемешивают до полного растворения оксида, добавляют при перемешивание 2 г мочевины. Полученный реакционный раствор нагревают в открытом реакторе из кислото- и термически стойкого материала при температуре 160°C. В процессе нагревания реакционный раствор формирует желеобразную массу и сгорает с выделением углекислого газа, азота и водяного пара, а в реакторе формируется рыхлая масса порошка оксида диспрозия. Реактор снимают с нагревателя и охлаждают до комнатной температуры, выгружают полученный полупродукт в накопительную ёмкость и наливают следующую порцию раствора. После сжигания всего раствора полученный полупродукт перемешивают, после чего его загружают в кварцевые тигли и отжигают 6 часов при температуре 600°C.

Структуру нанооксида и его размеры анализируют рентгеноструктурным методом. 

Полученные данные структуры нанооксида и его размеры представлены в  табл.1.

ПРИМЕР 3. В круглодонную колбу помещают 1-2 г технического оксида диспрозия, добавляют 15-30 мл. концентрированной азотной кислоты, перемешивают до полного растворения оксида, добавляют при перемешивание 2.5 г мочевины. Полученный реакционный раствор нагревают в открытом реакторе из кислото- и термически стойкого материала при температуре 160°C. В процессе нагревания реакционный раствор формирует желеобразную массу и сгорает с выделением углекислого газа, азота и водяного пара, а в реакторе формируется рыхлая масса порошка оксида диспрозия. Реактор снимают с нагревателя и охлаждают до комнатной температуры, выгружают полученный полупродукт в накопительную ёмкость и наливают следующую порцию раствора. После сжигания всего раствора полученный полупродукт перемешивают, после чего его загружают в кварцевые тигли и отжигают 6 часов при температуре 600°C.

Структура нанооксида и его размеры анализируют рентгеноструктурным методом. Полученные данные структуры нанооксида и его размеры представлены в  табл.1.

 ПРИМЕР 4. Пример по прототипу. В азотнокислый раствор с концентрацией 30-70 г/л по оксиду диспрозия добавляют 2.0 г щавелевой кислоты, при непрерывном перемешивании вводят полиакриламид в виде раствора с концентрацией 0,005-0,015% в расчете 5,0-10,0 мг на 1,0 кг оксида лантаноида, отделяют полученный оксид, промывают и сушат при 60-65°C до остаточной влажности 5-6%. Термообработку полученного осадка проводят в течение 2,0-2,2 часов в интервале температур 500-800°C. Рентгеноструктурным методом оценивают структуру  и размеры полученного нанооксида. Полученные данные структуру нанооксида и его размеры представлены в  табл.1.

Таблица 1

Результаты рентгеноструктурного анализ нанооксида диспрозия по примерам 1-4