CeVO4功能材料快速合成的研究

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(淮北师范大学物理与电子信息学院,安徽 淮北 235000)

0 引 言

CeVO4是一种功能材料，属于稀土钒酸盐类，广泛应用于石油化工[1]、锂离子电池负极材料[2]、磁性材料[3]、光催化[4]、气体传感[5]等方面，其Ce4+/Ce3+和V5+/V4+氧化还原反应中心，使得CeVO4这种半导体材料具有优良的电学和催化性能[4,6]。为了满足不同的使用需求，制备材料的形貌有纳米晶体[5]、陶瓷颗粒[4,7]、薄膜[6]等，制备方法主要有水热法[4,5]、微波合成[7,8]、溶胶凝胶法[6]和固相反应法[9～11]。对于固相反应法来说，方法简单，可操作性强，适用于大规模批量生产。但是在钒酸盐的制备中要用到反应物V2O5，该物质熔点低、高于700℃会挥发。若升温时间加长，有挥发损失时，通常会采用V2O5过量的形式来制备。本文针对有低熔点反应物参与的固相反应，采用急热的方法，即预先把高温反应炉的温度升至反应温度，把充分混合的反应物直接放置在反应温度下，省去中间缓慢的升温过程，根据钒酸盐反应迅速的特点[12]，快速制备CeVO4功能材料，用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分别分析和观察材料的物相和微观形貌。

1 实 验

用急热的固相反应法制备CeVO4功能材料。首先将CeO2和V2O5放置在干燥箱中100℃干燥2h，去除其在空气中吸收的水份。然后，按照Ce:V=1:1的摩尔比例,将称量好的CeO2和V2O5放置在行星球磨机的研磨罐中，加入适量的酒精用于分散原料，以300r/min的转速研磨5h。将得到的经充分研磨后的混合粉末放入刚玉坩埚中，待高温炉升温至600℃后，将坩埚直接放入高温炉中，保温5h，得到目标产物。分别用600、650、700、800、900、1000℃的反应温度，同样保持5h，得到6组反应产物，用X射线衍射仪(PANalytical B.V.)分析物相的纯度，判断反应是否完全，用扫描电镜(JSM-6700F)观察样品的微观形貌。

2 结果与讨论

图1为用急热的固相反应法制备的样品的XRD图谱。从图1上可以看出，在600℃(5h)的急热温度下，研磨后的样品没有完全反应，在样品的衍射图谱中发现两种反应物的衍射峰CeO2(JCPDS:01-089-8436)和V2O5(JCPDS:01-072-0433)，且样品的主晶相为CeVO4(JCPDS:01-082-1969)。从衍射强度来看，两种原材料反应物大部分已经反应，仅有少量反应物的存在。

图1 急热固相反应法在600℃(5h)制备样品的XRD图谱

当反应温度进一步从650℃提高800℃时，从图2的样品XRD图谱中，可以发现目标产物的CeVO4特征峰非常明显，仅仅含有极少量的CeO2特征峰， V2O5的衍射峰消失，而其CeO2最强衍射峰的相对强度分别为650℃(0.28%)、700℃(0.37%)、800℃(0.37%)，相对强度远小于1%，由此可以认为CeO2含量极少，没有反应的V2O5在煅烧的时间内挥发消失导致剩下的CeO2出现在衍射图谱中。

图2 急热固相反应法在650、700、800℃(5h)制备样品的XRD图谱

当反应温度提高至900℃和1200℃时，如图3所示，其产物的XRD衍射峰中只有CeVO4的特征峰，且没有发现任何一种反应物的衍射峰，说明在此温度下，急热的固相反应温度适宜，且反应充分和完全。衍射谱中没有出现CeO2和V2O5的特征衍射峰，说明在此温度下，反应迅速，V2O5几乎没有挥发就已经完全反应。因此，900℃为此急热固相反应法制备CeVO4的最佳反应温度。

图3 急热固相反应法在900、1000℃(5h)制备样品的XRD图谱

图4为在900℃，1000℃，5h的反应条件下制备CeVO4的微观形貌图。图4(a)显示的是900℃ 制备样品2000倍时的扫描电镜图片，从图上可以看出，制备的样品颗粒均匀，整体的颗粒尺寸大约为1-2μm。当放大倍数增加到10000倍的时候，如图4(b)所示，可以更清晰看到颗粒的形貌。颗粒之间有结晶现象，这与烧结时间有关，晶粒经过5个小时的烧结，相邻晶粒已有长大的趋势。若想得到颗粒度小CeVO4，可以适当减少煅烧时间，减弱晶粒的生长趋势，得到更细小的颗粒。

图4 急热固相反应法在900℃时制备样品的表面形貌图

3 结 论

采用急热的固相反应法成功的制备出CeVO4功能材料。通过粉末的X射线衍射技术，发现当反应温度在600℃以下时，CeVO4固相反应不完全。当反应温度在650℃-800℃时，在反应物中除了CeVO4以外，还有CeO2，但没有V2O5，说明在650℃时，反应不充分，V2O5已经开始挥发。当煅烧温度提高至900℃以上时，反应完全、迅速，在样品中只发现有目标产物CeVO4的衍射峰，在5h煅烧温度下，晶粒尺寸约为1-2μm。该急热反应法成功的制备了CeVO4功能材料，其合成方法可以为其它低熔点反应物参与固相反应提供一定的参考。

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