การเตรียมออกไซด์ของธาตุหายากที่ละเอียดมาก

การเตรียมความพร้อมออกไซด์ของธาตุหายากขนาดเล็กมาก

สารประกอบธาตุหายากที่มีขนาดเล็กมากมีขอบเขตการใช้งานที่กว้างกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับสารประกอบธาตุหายากที่มีขนาดอนุภาคทั่วไป และปัจจุบันมีการวิจัยเกี่ยวกับสารประกอบเหล่านี้มากขึ้น วิธีการเตรียมแบ่งออกเป็นวิธีเฟสของแข็ง วิธีเฟสของเหลว และวิธีเฟสก๊าซ ตามสถานะการรวมตัวของสาร ปัจจุบัน วิธีเฟสของเหลวใช้กันอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรมเพื่อเตรียมผงละเอียดของสารประกอบธาตุหายาก โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยวิธีการตกตะกอน วิธีโซลเจล วิธีไฮโดรเทอร์มอล วิธีเทมเพลต วิธีไมโครอิมัลชัน และวิธีการไฮโดรไลซิสอัลคิด ซึ่งวิธีการตกตะกอนนั้นเหมาะสมที่สุดสำหรับการผลิตในอุตสาหกรรม

วิธีการตกตะกอนคือการเติมสารตกตะกอนลงในสารละลายเกลือโลหะสำหรับการตกตะกอน จากนั้นกรอง ล้าง อบแห้ง และสลายด้วยความร้อนเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ผง ซึ่งรวมถึงวิธีการตกตะกอนโดยตรง วิธีการตกตะกอนแบบสม่ำเสมอ และวิธีการตกตะกอนร่วม ในวิธีการตกตะกอนทั่วไป ออกไซด์ของธาตุหายากและเกลือของธาตุหายากที่มีอนุมูลกรดระเหยได้โดยการเผาตะกอนที่มีขนาดอนุภาค 3-5 μm พื้นที่ผิวจำเพาะน้อยกว่า 10 ㎡/g และไม่มีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีพิเศษ วิธีการตกตะกอนด้วยแอมโมเนียมคาร์บอเนตและวิธีการตกตะกอนด้วยกรดออกซาลิกเป็นวิธีที่ใช้กันทั่วไปที่สุดในปัจจุบันในการผลิตผงออกไซด์ทั่วไป และตราบใดที่เงื่อนไขกระบวนการของวิธีการตกตะกอนเปลี่ยนไป ก็สามารถใช้เตรียมผงออกไซด์ของธาตุหายากที่ละเอียดมากได้

งานวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าปัจจัยหลักที่มีผลต่อขนาดอนุภาคและสัณฐานวิทยาของผงละเอียดพิเศษของธาตุหายากในวิธีการตกตะกอนด้วยแอมโมเนียมไบคาร์บอเนต ได้แก่ ความเข้มข้นของธาตุหายากในสารละลาย อุณหภูมิการตกตะกอน ความเข้มข้นของสารตกตะกอน เป็นต้น ความเข้มข้นของธาตุหายากในสารละลายเป็นกุญแจสำคัญในการสร้างผงละเอียดพิเศษที่กระจายตัวสม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่น ในการทดลองการตกตะกอน Y3+ เพื่อเตรียม Y2O3 เมื่อความเข้มข้นของมวลของธาตุหายากอยู่ที่ 20~30g/L (คำนวณโดย Y2O3) กระบวนการตกตะกอนจะราบรื่น และผงละเอียดพิเศษของอิตเทรียมออกไซด์ที่ได้จากการตกตะกอนคาร์บอเนตโดยการทำให้แห้งและเผาจะมีขนาดเล็ก สม่ำเสมอ และการกระจายตัวดี

ในปฏิกิริยาเคมี อุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญ ในการทดลองข้างต้น เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ 60-70 ℃ การตกตะกอนจะช้า การกรองจะเร็ว อนุภาคจะหลวมและสม่ำเสมอ และโดยพื้นฐานแล้วเป็นทรงกลม เมื่ออุณหภูมิปฏิกิริยาต่ำกว่า 50 ℃ การตกตะกอนจะก่อตัวเร็วขึ้น โดยมีเมล็ดมากขึ้นและขนาดอนุภาคเล็กลง ในระหว่างปฏิกิริยา ปริมาณ CO2 และ NH3 จะล้นออกมาน้อยลง และการตกตะกอนจะอยู่ในรูปแบบเหนียว ซึ่งไม่เหมาะสำหรับการกรองและการล้าง หลังจากถูกเผาเป็นออกไซด์ของอิตเทรียมแล้ว ยังคงมีสารที่เป็นก้อนซึ่งจับตัวกันเป็นก้อนและมีขนาดอนุภาคที่ใหญ่กว่า ความเข้มข้นของแอมโมเนียมไบคาร์บอเนตยังส่งผลต่อขนาดอนุภาคของออกไซด์ของอิตเทรียมอีกด้วย เมื่อความเข้มข้นของแอมโมเนียมไบคาร์บอเนตน้อยกว่า 1 โมล/ลิตร ขนาดอนุภาคออกไซด์ของอิตเทรียมที่ได้จะเล็กและสม่ำเสมอ เมื่อความเข้มข้นของแอมโมเนียมไบคาร์บอเนตเกิน 1 โมลต่อลิตร จะเกิดการตกตะกอนในบริเวณนั้น ทำให้เกิดการรวมตัวและอนุภาคมีขนาดใหญ่ขึ้น ภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม ผงอิตเทรียมออกไซด์ขนาดเล็กมากขนาด 0.01-0.5 ไมโครโมลาร์สามารถผลิตได้

ในวิธีการตกตะกอนออกซาเลต จะเติมสารละลายกรดออกซาลิกทีละหยดในขณะที่เติมแอมโมเนียเพื่อให้แน่ใจว่าค่า pH คงที่ในระหว่างกระบวนการปฏิกิริยา ส่งผลให้ผงออกไซด์อิตเทรียมมีขนาดอนุภาคน้อยกว่า 1 μ M ขั้นแรก ให้ตกตะกอนสารละลายไนเตรตอิตเทรียมกับน้ำแอมโมเนียเพื่อให้ได้คอลลอยด์อิตเทรียมไฮดรอกไซด์ จากนั้นจึงแปลงด้วยสารละลายกรดออกซาลิกเพื่อให้ได้ผง Y2O3 ที่มีขนาดอนุภาคน้อยกว่า 1 μ m เติม EDTA ลงในสารละลายไนเตรตอิตเทรียม Y3+ ที่มีความเข้มข้น 0.25-0.5mol/L ปรับ pH เป็น 9 ด้วยน้ำแอมโมเนีย เติมแอมโมเนียมออกซาเลต แล้วหยดสารละลาย HNO3 ที่มีความเข้มข้น 3mol/L ในอัตรา 1-8mL/นาทีที่ 50 ℃ จนกระทั่งตกตะกอนเสร็จสิ้นที่ pH = 2 จะได้ผงออกไซด์อิตเทรียมที่มีขนาดอนุภาค 40-100nm

ขณะอยู่ในขั้นตอนการเตรียมการออกไซด์ของธาตุหายากขนาดเล็กมากโดยวิธีการตกตะกอน อาจทำให้เกิดการเกาะตัวกันในระดับที่แตกต่างกัน ดังนั้น ในระหว่างขั้นตอนการเตรียม จำเป็นต้องควบคุมเงื่อนไขการสังเคราะห์อย่างเคร่งครัด โดยปรับค่า pH ใช้สารตกตะกอนที่แตกต่างกัน เติมสารกระจายตัว และวิธีการอื่นๆ เพื่อกระจายผลิตภัณฑ์ตัวกลางอย่างสมบูรณ์ จากนั้นจึงเลือกวิธีการทำให้แห้งที่เหมาะสม และสุดท้ายจะได้ผงละเอียดพิเศษของสารประกอบธาตุหายากที่กระจายตัวได้ดีผ่านการเผา