KR20160063057A - Manufacturing method for metal-doped Cerium Oxide ultra-fine powders by using plasmas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종금속이 도핑된 산화세륨 미세분말을 제조하는 방법에 관한 것으로서 1) 도펀트 금속의 산화물과 산화세륨을 출발물질로 하고, 이들 산화물을 도핑량에 맞게 정량하는 제1단계; 2) 제1단계에서 정량된 산화물 출발물질을 통상적인 방법으로 혼합, 분쇄하거나 하소과정 등을 거쳐 고상 혼합 선구체 분말을 준비하는 제2단계; 3) 제2단계를 통해 얻은 선구체 분말을 플라즈마를 이용하여 동시 용융 및 기화 등의 물리 화학적 변화가 가능하도록 가열하는 제3단계; 4) 상기 플라즈마를 이용하여 물리 화학적으로 변화시킨 결과물을 급냉시켜 이종 금속이 도핑된 산화(세륨 미세 입자로 합성하는 제4단계;를 포함한다. The present invention relates to a method of preparing a cerium oxide fine powder doped with a different kind of metal, comprising the steps of: (1) a first step of using oxides of a dopant metal and cerium oxide as starting materials and quantifying these oxides in accordance with the doping amount; 2) a second step of preparing solid phase mixed precursor powder by mixing, pulverizing or calcining the oxide starting material determined in the first step by a conventional method; 3) a third step of heating the precursor powder obtained through the second step so as to allow physical and chemical changes such as simultaneous melting and vaporization using plasma; 4) quenching the physico-chemically modified product by using the plasma to synthesize oxides doped with different metals (cerium fine particles).
Description
본 발명은 CeO2 단일상을 갖는 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세분말의 제조방법에 관한 것이다The present invention relates to a process for preparing a cerium oxide micropowder doped with a heterometal having a CeO2 single phase
본 발명은 CeO2 단일상을 갖는 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세분말의 제조방법에 관한 것이다. 산화세륨의 제조방법에 관해서는 대한민국 특허 등록 제10-515782호 '산화세륨의 제조방법'등으로 개시된바 있다. 그러나 본 발명은 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세분말의 제조방법에 관한 것으로서 Gd, Sm 및 Y와 같은 원하는 도핑 대상 금속의 산화물 분말과 산화세륨 분말로 주요하게 구성되는 원료분말들을 도핑량에 맞게 정량하는 단계; 정량된 원료분말들을 통상적인 방법으로 분쇄, 혼합하거나 하소과정 등을 거쳐 고상 혼합 선구체 분말을 준비하는 단계; 이 단계를 통해 얻은 선구체들을 플라즈마를 이용하여 가열, 용융 및 기화 등의 물리 화학적 변화가 가능하도록 가열하는 단계; 상기 물리 화학적으로 변화시킨 결과물을 급냉시켜 CeO2 단일상 형태의 결정구조를 갖는 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세 분말로 합성하는 단계로 이루어지며 RF theraml plasma를 이용하여 합성되도록 한다. The present invention relates to a process for preparing a cerium oxide micropowder doped with a hetero-metal having CeO2 single phase. A method for producing cerium oxide has been disclosed in Korean Patent No. 10-515782 entitled " Method for producing cerium oxide ". However, the present invention relates to a method of producing a cerium oxide fine powder doped with a dissimilar metal, wherein raw powder powders mainly composed of an oxide powder of a desired metal to be doped such as Gd, Sm and Y and a cerium oxide powder are quantitatively ; Mixing and pulverizing the quantified raw material powders by a conventional method, or preparing a solid mixed-up precursor powder through a calcination process; Heating the precursors obtained through this step to allow physicochemical changes such as heating, melting and vaporization using plasma; The physico-chemically modified product is quenched to synthesize a heterogeneous metal-doped cerium oxide fine powder having a
산화세륨은 높은 산소 이온 전도도 특성을 가진 세라믹으로서, 산소 센서, 고체 산화물연료전지 전해질 등의 응용 분야에서 큰 관심을 끌고 있다. 산화세륨계 산화물은 Gd3+, Sm3+,Y3+와 같이 Ce4+보다 가전자 수가 적은 원소를 첨가할 경우, 산소 빈자리를 형성하여 높은 산소 이온 전도도를 가지는 특성이 있다. 이러한 특성 때문에, 이종 금속이 도핑된 산화세륨의 이온전도도가 종래에 SOFC(Solid oxide fuel cell: 고체산화물 연료전지) 전해질로 사용되던 지르코니아계 산화물보다 높아서, 500℃ 정도의 중ㅇ저온 영역에서도 사용할 수 있으며, LSGM (lanthanum strontium gallate magnesite)등의 전해질보다 화학적 안정성이 우수하여 중ㅇ저온용 SOFC의 전해질로 각광받고 있다. 이에 따라, 이종 금속이 도핑된 산화세륨의 합성 경로를 찾기 위한 기술들이 많이 연구되어 왔는데, 예를 들어, 상기 물질은 종래의 고상 반응 및 기계적 밀링으로 구성된 반복 공정에 의해 쉽게 제조 될 수 있다. 그러나 이러한 재래식 고상법 및 기계적 밀링법으로 제조된, 이종 금속이 도핑된 세리아 분말은 분쇄 효율 등의 한계로 인해, 치밀한 전해질 구조의 소결체를 제조하기 위한 미세 분말을 상대적으로 얻기 힘들다. 또한 이 방식의 경우, 반응시간이 오래 걸리고, 별도의 분쇄 과정을 거쳐야 하는 번거로움이 있을 뿐만 아니라, 분쇄 과정에서 불순물의 유입을 피할 수 없는 단점이 있다. 상기 Top-down 방식의 고온 소결법의 단점을 극복하기 위해, 공침 법, 졸겔 법 등과 같은 재래의 합성법 등이 제안되고 있으나, 제 2상의 형성, 유기용매 등 환경위해물질 배출, 고가의 특수 선구체 물질의 사용과 같은, 이들 재래식 방법의 고질적인 문제 때문에 경쟁력 있는, 이종 금속이 도핑된 CeO2 물질 합성법으로 자리 잡는데 어려움을 겪고 있다. 이 외, 자전법의 일종인 글리신 나이트레이트 공정 (GNP) 등이 최근 소개 되고 있는데. 이 공정은 급격한 발열 산화 환원 반응 과정 중, 중간 상없이 나노 크기의 미세 분말을 매우 단시간에 제조 할 수 있으며, 또한 생성된 분말이 CeO2 단일상을 구현할 수 있다고 보고되고 있다. 그러나 이 방식은 공정 속도 및 환경에 유해한 배출가스의 제어에 어려움이 있어 상용화 기술로는 한계가 있다.
Cerium oxide is a ceramic having high oxygen ion conductivity, and has attracted great interest in applications such as oxygen sensors, solid oxide fuel cell electrolytes, and the like. The cerium oxide has the characteristic of having high oxygen ion conductivity by forming an oxygen vacancy when Gd 3+ , Sm 3+ , Y 3+, or the like is added to an element having a smaller valence number than Ce 4+ . Because of this characteristic, the ion conductivity of the doped cerium oxide is higher than that of the zirconia oxide used conventionally in an SOFC (solid oxide fuel cell) electrolyte, so that it can be used even in a low temperature region of about 500 ° C And is superior in chemical stability to electrolytes such as LSGM (lanthanum strontium gallate magnesite), and is attracting attention as an electrolyte of middle and low temperature SOFC. Accordingly, a lot of techniques for finding a synthesis path of cerium oxide doped with different metals have been studied extensively. For example, the material can be easily manufactured by a repetitive process consisting of conventional solid phase reaction and mechanical milling. However, the ceria powder doped with heterogeneous metals prepared by the conventional solid-phase method and the mechanical milling method is difficult to obtain a fine powder for producing a sintered compact of a dense electrolyte structure due to limitations in milling efficiency and the like. In addition, this method requires a long reaction time, requires a separate grinding process, and has a disadvantage in that impurities can not be avoided during grinding. Conventional synthesis methods such as a coprecipitation method and a sol-gel method have been proposed in order to overcome the disadvantages of the top-down high-temperature sintering method. However, the formation of the second phase, the discharge of environmental harmful substances such as organic solvents, The difficulty of finding a competitive, heterogeneous metal-doped CeO2 material synthesis method due to the inherent problems of these conventional methods, such as the use of the doped CeO2 material. In addition, the glycine nitrate process (GNP), which is a kind of rotation method, has recently been introduced. It is reported that this process can produce nano-sized fine powders in a very short time without intermediate phase during a rapid exothermic oxidation-reduction reaction process, and that the generated powders can realize a single phase of CeO2. However, this method has difficulties in control of exhaust gas harmful to the process speed and environment, and thus commercialization technology is limited.
본 발명은 원하는 도핑 대상 금속의 산화물 분말과 산화세륨 분말로 구성된 혼합 산화물 선구체로부터 고온, 고엔탈피의 플라즈마를 이용하여, 그 평균 크기가 1 ㎛ 이하이고 CeO2 단일상을 지닌, 이종 금속이 도핑된 CeO2 미세 분말을 손쉽게 대량 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. The present invention is based on the finding that a mixed oxide precursor consisting of an oxide powder of a metal to be doped and a cerium oxide powder can be produced by using a plasma of high temperature and high enthalpy and using a plasma doped with a heterogeneous metal having an average size of 1 탆 or less and a
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 이종금속이 도핑된 산화세륨 미세분말을 제조하는 방법을 제공하는데 1) 도펀트 금속의 산화물과 산화세륨을 출발물질로 하고, 이들 산화물을 도핑량에 맞게 정량하여 제공하는 제1단계; 2) 제1단계에서 정량된 산화물 출발물질을 통상적인 방법으로 혼합, 분쇄하거나 하소과정 등을 거쳐 고상 혼합 선구체 분말을 준비하는 제2단계; 3) 제2단계를 통해 얻은 선구체 분말을 플라즈마를 이용하여 동시 용융 및 기화 등의 물리 화학적 변화가 가능하도록 가열하는 제3단계; 4) 상기 플라즈마를 이용하여 물리 화학적으로 변화시킨 결과물을 급냉시켜 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세 입자로 합성하는 제3단계;를 포함할 수 있다. In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of preparing a cerium oxide fine powder doped with a different kind of metal, comprising the steps of 1) preparing an oxide of a dopant metal and cerium oxide as starting materials, ; 2) a second step of preparing solid phase mixed precursor powder by mixing, pulverizing or calcining the oxide starting material determined in the first step by a conventional method; 3) a third step of heating the precursor powder obtained through the second step so as to allow physical and chemical changes such as simultaneous melting and vaporization using plasma; 4) a third step of synthesizing the resultant of physicochemically changing the plasma using the plasma to quench the resultant to form a heterogeneous metal-doped cerium oxide microparticle.
제1단계에서 도펀트 금속 산화물로 1내지 20 ㎛ 크기의 분말을 사용하며 또한, 10내지 40 ㎛ 크기 이하의 산화세륨 분말을 사용할 수 있다. In the first step, a powder having a size of 1 to 20 mu m is used as a dopant metal oxide and a cerium oxide powder having a size of 10 to 40 mu m or less can be used.
상기 제1 단계에서, 도펀트 금속 산화물은 Gd2O3, Sm2O3, Y2O3 중 어느 하나 일 수 있다. In the first step, the dopant metal oxide may be any one of Gd2O3, Sm2O3, and Y2O3.
도펀트 금속의 산화물과 산화세륨을 Ce와 도펀트 금속 원자의 전체중량대비 Ce의 중량비가 80내지 90중량부가 되도록 혼합한 것일 수 있다. The oxide of the dopant metal and the cerium oxide are mixed so that the weight ratio of Ce to the total weight of Ce and dopant metal atoms is 80 to 90 parts by weight It can be mixed.
상기 제3 단계에서 주파수 0.5~13.56 MHz의 고주파 유도결합형 방식의 플라즈마를 이용하는 것일 수 있다. In the third step, a plasma of a high frequency induction coupling type having a frequency of 0.5 to 13.56 MHz may be used.
상기 제3 단계에서 100 A 이상의 직류 전류에 의해 유기되는 아크 플라즈마를 이용하는 것일 수 있다. An arc plasma induced by a DC current of 100 A or more may be used in the third step.
상기 제3 단계에서 원형, 대칭으로 배열된 다중의 직류 토치로부터 발생된 플라즈마를 이용하는 것일 수 있다. In the third step, plasma generated from a plurality of DC torches arranged in a circle, symmetrically may be used.
상기 제3 단계에서 700 MHz 이상의 마이크로파 국소 가열에 의해 발생된 플라즈마를 이용하는 것일 수 있다.
In the third step, a plasma generated by microwave local heating of 700 MHz or more may be used.
상기한 바와 같이, 본 발명은 재래의 침전법, 졸-겔법, 글리신나이트레이트법 등과는 달리, 출발물질로서, 별도의 금속질산염이나 고가의 유기금속, 유기 용매 등을 사용하지 않고 상대적으로 구하기 쉬운 Gd2O3, Sm2O3, Y2O3 등의 도펀트 금속 산화물을 직접 사용함으로써, 반응 후, 환경위해물질 배출로부터 자유롭고 상대적으로 손쉽고 안전한 반응공정을 유도할 수 있다. As described above, unlike the conventional precipitation method, sol-gel method, glycine nitrate method and the like, the present invention can provide relatively easy to obtain, without using a separate metal nitrate salt, expensive organic metal, organic solvent, By directly using the dopant metal oxide such as Gd2O3, Sm2O3, Y2O3, etc., it is possible to induce a relatively easy and safe reaction process free from the discharge of environmental harmful substances after the reaction.
또한, 고엔탈피의 플라즈마 유동을 이용하여, 도펀트 금속 산화물과 산화세륨으로 구성된 혼합 선구체 분말을 급속 가열하여 동시 용융 및 기화시킴으로써, 이종 금속의 빠르고 균일한 도핑을 가능하게 할 뿐 아니라 이들 액적 및 증기의 급랭을 통해 1 ㎛ 이하 크기의 CeO2 단일 상을 지닌, 이종 금속이 도핑된 CeO2 나노분말을 연속적으로 대량 생산 가능하게 할 수 있다. Further, by using the high enthalpy plasma flow, the mixed precursor powder consisting of the dopant metal oxide and cerium oxide is rapidly heated to co-melt and vaporize, thereby enabling fast and uniform doping of the dissimilar metals, It is possible to continuously mass-produce hetero-metal-doped
도1내지 도7은 본 발명에 따른 일실시예를 도시하는 도면1 to 7 are diagrams showing an embodiment according to the present invention
이하 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 상기 목적을 이루기 위해 본 발명은, Gd, Sm 및 Y과 같은 원하는 도핑 대상 금속의 산화물 분말 예를 들어, Gd2O3 또는 Sm2O3 또는 Y2O3)와 CeO2 분말로 주요하게 구성되는 원료분말들을 도핑량에 맞게 정량하는 단계; 정량된 산화물 원료분말들을 통상적인 방법으로 분쇄, 혼합하거나 하소과정 등을 거쳐 고상 혼합 선구체 분말을 준비하는 단계; 이 단계를 통해 얻은 산화물 선구체를 플라즈마를 이용하여 동시 용융 및 기화시키는 가열 단계; 상기 단계를 통해 만들어진 혼합 용융액적 및 기화증기를 급냉시켜 CeO2 단일상 형태의 결정구조를 갖는 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세 입자로 합성하는 단계로 이루어진 공정으로 구성된다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to achieve the above object, the present invention provides a method for quantitatively determining source powders composed mainly of an oxide powder of a desired metal such as Gd, Sm and Y, for example, Gd2O3 or Sm2O3 or Y2O3 and CeO2 powder, step; Preparing a solid mixed-mixed precursor powder by pulverizing, mixing or calcining the quantified oxide raw material powders by a conventional method; A heating step of simultaneously melting and vaporizing the oxide precursor obtained through this step using a plasma; And a step of synthesizing the heterogeneous metal-doped cerium oxide microparticles having a crystal structure of CeO2 single phase by quenching the mixed melt and the vaporized vapor produced through the above steps.
상기 제조 공정 중, 선구체를 준비하는 단계는, 1㎛ 이하 크기의 금속 도핑된 CeO2 미세분말 합성을 위해, 통상 1내지 20 ㎛ 크기의 Gd2O3 또는 Sm2O3 또는 Y2O3와 같은 도펀트 금속의 산화물 분말과 10내지 40 ㎛ 이하 크기의 CeO2 분말을 이종 금속의 도핑량에 맞게 정량한 후, Ball Mill 등으로 골고루 혼합하여 만든 단순 혼합물을 사용하거나 이들 혼합물을 1,500 ℃ 이내에서 하소 또는 소결한 후 분쇄하여 얻을 수 있다. 또한, 플라즈마 내부로의 균일하고 원활한 이송을 위해서, 상기와 같은 방식으로 준비한 고상 혼합 선구체들을 적정한 용제에 잘 분산시켜 슬러리 형태의 액체상, 또는 에어로졸상의 분무 형태로 만들어 발명의 목적을 위해 사용될 수 있다. In the preparation process, the step of preparing the precursor may be carried out by using an oxide powder of a dopant metal such as Gd2O3 or Sm2O3 or Y2O3 usually having a size of 1 to 20 mu m and a metal oxide powder of 10 to 20 mu m for synthesis of a metal doped CeO2 fine powder having a size of 1 mu m or less, A simple mixture made by mixing CeO2 powders of 40 ㎛ or less in size according to the doping amount of dissimilar metals and uniformly mixed with a ball mill or the like, or calcining or sintering these powders at 1,500 ° C. and pulverizing them. Also, for uniform and smooth transfer into the plasma, the solid-phase mixed precursors prepared in the above-described manner can be well dispersed in an appropriate solvent to form a liquid phase in the form of a slurry, or sprayed in the form of an aerosol, .
일반적으로, 고상법을 통한 도핑 공정에서는, Gd2O3, Sm2O3, Y2O3 등의 도펀트 금속 산화물로부터, 해당 금속 물질을 활성화시켜 CeO2 구조 내로 확산 삽입시켜야 하므로, 이에 필요한 에너지와 시간을 확보하기 위해, 1,000 ℃ 이상의 고온에서 장시간 소결시키는 과정을 거쳐야 한다. 또한, 소결 후, 덩어리 진 소결체로부터 1 ㎛ 이하의 미세 분말을 얻기 위해서는 별도의 분쇄 공정을 거쳐야 하는 번거로움이 있다. 반면, 본 발명에서는 1내지 20 ㎛ 이하 크기의 Gd2O3 또는 Sm2O3 또는 Y2O3 등의 도펀트 금속의 산화물 분말을 10내지 40 ㎛ 크기의 CeO2 분말과 함께 3,000 K 이상의 고온, 고엔탈피의 플라즈마 유동에 주입시킴으로써, 이들 미분체의 전 영역에 걸쳐 급속 가열이 일어나도록 한다는 특징이 있다. 이와 같은 플라즈마 급속 가열 공정은 수 ms 이내에 해당 산화물의 용융액적 및 기화 증기를 만들 수 있어, Gd, Sm, Y 등과 같은 도핑대상 금속 물질을 그들의 산화물 격자구조로부터 활성화시키고 CeO2 격자 구조 내로 이동하는 시간을 비약적으로 단축시킬 수 있는 환경을 빠르게 구현할 수 있다. 또한, 이 과정을 통해 형성된 용융액적 및 증기를 급랭시킴으로써, 1 ㎛ 이하의, 이종금속이 고르게 도핑된 CeO2 미세분말을 별도의 분쇄공정이나 처리과정 없이 손쉽고 빠르게 대량으로 얻을 수 있다는 특징이 있다. 본 발명의 이러한 특징을 구현하기 위한 주요 열유동 원으로는 3,000 K 이상의 고온, 고엔탈피 플라즈마 유동 등이 사용될 수 있다. 특히, 고주파 유도결합 방식의 플라즈마를 사용할 경우, 운반기체를 사용하여 혼합 산화물 선구체들을 고온, 고엔탈피 플라즈마 유동에 축방향으로 주입함으로써, 상기의 목적을 효율적으로 달성할 수 있다. Generally, in the doping process using the solid phase method, the metal material is activated from a dopant metal oxide such as Gd 2 O 3, Sm 2 O 3, Y 2 O 3, etc. to diffuse and insert into the
이하 실시 예를 통하여 본 발명의 효과를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the effects of the present invention will be described in detail by way of examples.
단 하기 실시 예는 본 발명의 구체적인 적용 내용을 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
The following examples are intended to illustrate the specific application of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the examples.
[실시 예 1] Gd : Ce = 20 : 80 at% 인 전구체를 고주파 유도결합 플라즈마 유동에 투입하여 합성된 Gd이 도핑된 CeO2 미세분말[Example 1] A Gd-doped CeO2 fine powder synthesized by introducing a precursor of Gd: Ce = 20: 80 at% into a high frequency inductively coupled plasma flow
도 1은, ~20 ㎛ 급 Gd2O3 와 ~40㎛ 급 CeO2 분말을 Gd 와 Ce의 원자비로 20:80 이 되도록 정량한 선구체를, 주파수 1~5 MHz, Plate power 140 kVA의 고주파 유도결합 플라즈마 유동에 축방향으로 주입하여 얻은 미분체에 대해 촬영한 전자주사현미경(FE-SEM) 사진이다. 도 1로부터, 플라즈마 합성된 미세분말의 전체적인 크기는 1㎛ 이하임을 확인할 수 있다. 도 2는 선구체와 플라즈마 처리 후 얻은 미세분말의 XRD 데이터 비교 그림이며, 도 3은 합성된 미세분말에 대한 투과전자현미경(TEM) 및 SAED(selected area electron diffraction) 패턴을 나타낸 그림이다. 도 2의 선구체 XRD data로부터, 원료분말 선구체에서 관찰되던 Gd2O3 및 CeO2 결정 피크들이 새로 합성된 미세분말에서는 CeO2 피크를 제외하고 모두 사라졌다는 것을 알 수 있다. 도 2와 함께 도 3의 SAED 패턴역시, 합성된 나노 크기의 개별 입자가 CeO2 단일상을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 반면, 도 4의 합성된 미세 분말의 TEM-EELS (Transmission electron microscopy & electron energy loss spectroscopy) 분석에 따른 Gd, Ce 원소별 Mapping 사진으로부터, 합성된 100 nm 이하 크기의 미세입자들은 그 내부에, Gd, Ce 원소들을 균일하게 함유하고 있음을 살펴볼 수 있다. 따라서 도 2, 도 3과 도4의 결과로부터, Gd 도펀트 금속이 플라즈마 처리 중, CeO2 구조 내부로 성공적으로 삽입되어 CeO2 단일상의 Gd 도핑된 CeO2 미세입자를 형성하였음을 알 수 있다. 표 1은 합성된 Gd 도핑된 CeO2 미세입자들에 대한 ICP-OES (Inductively coupled plasma - optical emission spectrometer) 분석결과를 나타낸다. 이 표로부터, 합성된 Gd 도핑된 CeO2 미세입자의 양이온(cation) 조성비가 설계 조성비에 비해 약 3 at% 이내에서 잘 맞는다는 것을 알 수 있다.Fig. 1 is a graph showing the results of measurement of a precursor in which Gd2O3 and ~40 mu m grade CeO2 powder having a particle size of ~ 20 mu m are quantitatively determined to be 20:80 in terms of an atomic ratio of Gd and Ce to a high frequency inductively coupled plasma with a frequency of 1 to 5 MHz and a plate power of 140 kVA (FE-SEM) photograph taken on the fine powder obtained by axially injecting into the flow. It can be seen from Fig. 1 that the overall size of the plasma synthesized fine powder is less than 1 mu m. FIG. 2 is a graph comparing the XRD data of the precursor and the fine powder obtained after the plasma treatment, and FIG. 3 is a diagram showing a transmission electron microscope (TEM) and a selected area electron diffraction (SAED) pattern of the synthesized fine powder. From the precursor XRD data in Fig. 2, it can be seen that the Gd2O3 and CeO2 crystal peaks observed in the raw powder precursor disappeared except for the CeO2 peak in the newly synthesized fine powder. The SAED pattern of FIG. 3 together with FIG. 2 also shows that the synthesized nano-sized individual particles have
[실시 예 2] Gd : Ce = 10 : 90 at. % 인 전구체를 고주파 유도결합 플라즈마 유동에 투입하여 합성된 Gd 이 도핑된 CeO2 미세분말[Example 2] Gd: Ce = 10: 90 at. % Precursor is injected into a high frequency inductively coupled plasma flow to synthesize the Gd-doped CeO2 fine powder
도 5는, ~20 ㎛ 급 Gd2O3 와 ~40㎛ 급 CeO2 분말을 Gd 과 Ce 원자비로 10:90 이 되도록 정량한 선구체를 실시 예 1과 동일한 플라즈마 처리 조건에서 얻은 미분체에 대해 촬영한 전자주사현미경(FE-SEM) 사진이다. 도 5로부터, 실시 예 1과 같이 합성된 미세분말의 전체적인 크기는 1 ㎛ 이하임을 확인할 수 있다. Fig. 5 is a graph showing the results of electron micrographs of fine grains obtained under the same plasma treatment conditions as those of Example 1, in which the Gd2O3 and ~ 40 mu m class CeO2 powders of ~ 20 mu m grade were quantitatively determined to have a Gd and Ce atomic ratio of 10: Scanning electron microscope (FE-SEM) photograph. From FIG. 5, it can be confirmed that the total size of the fine powder synthesized as in Example 1 is 1 占 퐉 or less.
도 6은 선구체와 플라즈마 처리 후 얻은 미세분말의 XRD 데이터 비교 그림이다. 도 6으로부터, 실시 예 1과 같이, 선구체 XRD data로부터 관찰되던 Gd2O3 및 CeO2 결정 피크들이 새로 합성된 미세분말에서는 CeO2 피크를 제외하고 모두 사라졌다는 것을 알 수 있다. 표 2의 ICP-OES (Inductively coupled plasma - optical emission spectrometer) 분석결과로부터, 합성된 Gd 도핑된 CeO2 미세입자의 양이온(cation) 조성비가 설계 조성비에 비해 1.31at% 내로 잘 맞는다는 것을 알 수 있다. 이로부터, 실시 예 1과 같이, 본 발명서에서 제시하는 방법을 통해, 이종 금속이 도핑된 CeO2 단일상 미세분말 합성이 가능함을 알 수 있다. 6 is a graph comparing XRD data of a precursor and a fine powder obtained after a plasma treatment. From Fig. 6, it can be seen that the Gd2O3 and CeO2 crystal peaks observed from the precursor XRD data disappear except for the CeO2 peak in the newly synthesized fine powders, as in Example 1. From the ICP-OES (Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer) analysis results shown in Table 2, it can be seen that the cation composition ratio of the synthesized Gd-doped CeO2 fine particles is well within 1.31 at% of the designed composition ratio. From this, it can be seen that, as in the case of Example 1, it is possible to synthesize a heterogeneous metal-doped CeO2 single phase fine powder through the method disclosed in the present invention.
이상의 일례와 같이, 본 발명에서 소개한, 플라즈마를 이용한 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세분말의 제조방법은 고주파 유도결합 플라즈마 등 고온, 고엔탈피의 플라즈마 유동원을 사용하여 20㎛ 이하의 Gd2O3 또는 Sm2O3 또는 Y2O3와 같은 도펀트 금속 산화물 분말과 산화세륨 분말로 구성된 선구체를 순간적으로 가열하기 때문에, Gd, Sm, Y 등과 같은 도핑대상 금속 물질을 그들의 산화물 격자구조로부터 활성화시키고 CeO2 격자 구조 내로 이동하는 과정을 수 ms 이내의 짧은 시간 내에 구현할 수 있다는 특징이 있다. 또한, 이 과정을 통해 형성된 용융액적 및 증기를 급랭시킴으로써, 1 ㎛ 이하의 이종금속이 고르게 도핑된 CeO2 미세분말을 별도의 분쇄공정이나 처리과정 없이 손쉽게 대량으로 얻을 수 있다는 특징이 있다.
As described above, the method of manufacturing a cerium oxide fine powder doped with a hetero-metal using plasma, which has been introduced in the present invention, uses a high-temperature and high-enthalpy plasma source such as a high-frequency inductively coupled plasma to generate Gd2O3 or Sm2O3 Y 2 O 3 and cerium oxide powder are instantaneously heated to activate the doping metal materials such as Gd, Sm, and Y from their oxide lattice structures and move into the
상기한 바와 같이, 본 발명은 재래의 침전법, 졸-겔법, 글리신나이트레이트법 등과는 달리, 출발물질로서, 별도의 금속질산염이나 고가의 유기금속, 유기 용매 등을 사용하지 않고 상대적으로 구하기 쉬운 Gd2O3, Sm2O3, Y2O3 등의 도펀트 금속 산화물을 직접 사용함으로써, 반응 후, 환경위해물질 배출로부터 자유롭고 상대적으로 손쉽고 안전한 반응공정을 유도할 수 있다. As described above, unlike the conventional precipitation method, sol-gel method, glycine nitrate method and the like, the present invention can provide relatively easy to obtain, without using a separate metal nitrate salt, expensive organic metal, organic solvent, By directly using the dopant metal oxide such as Gd2O3, Sm2O3, Y2O3, etc., it is possible to induce a relatively easy and safe reaction process free from the discharge of environmental harmful substances after the reaction.
또한, 고엔탈피의 플라즈마 유동을 이용하여, 도펀트 금속 산화물과 산화세륨으로 구성된 혼합 선구체 분말을 급속 가열하여 동시 용융 및 기화시킴으로써, 이종 금속의 빠르고 균일한 도핑을 가능하게 할 뿐 아니라 이들 액적 및 증기의 급랭을 통해 1 ㎛ 이하 크기의 CeO2 단일 상을 지닌, 이종 금속이 도핑된 CeO2 나노분말을 연속적으로 대량 생산 가능하게 할 수 있다. Further, by using the high enthalpy plasma flow, the mixed precursor powder consisting of the dopant metal oxide and cerium oxide is rapidly heated to co-melt and vaporize, thereby enabling fast and uniform doping of the dissimilar metals, It is possible to continuously mass-produce hetero-metal-doped
Claims (8)
1) 도펀트 금속의 산화물과 산화세륨을 출발물질로 하고, 이들 산화물을 도핑량에 맞게 정량하여 제공하는 제1단계;
2) 제1단계에서 정량된 산화물 출발물질을 통상적인 방법으로 혼합, 분쇄하거나 하소과정 등을 거쳐 고상 혼합 선구체 분말을 준비하는 제2단계;
3) 제2단계를 통해 얻은 선구체 분말을 플라즈마를 이용하여 동시 용융 및 기화 등의 물리 화학적 변화가 가능하도록 가열하는 제3단계;
4) 상기 플라즈마를 이용하여 물리 화학적으로 변화시킨 결과물을 급냉시켜 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세 입자로 합성하는 제3단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 이종 금속이 도핑된 산화세륨 미세분말의 제조방법A method of producing a cerium oxide fine powder doped with a dissimilar metal,
1) a first step of using an oxide of a dopant metal and cerium oxide as starting materials and quantitatively providing these oxides in accordance with the doping amount;
2) a second step of preparing solid phase mixed precursor powder by mixing, pulverizing or calcining the oxide starting material determined in the first step by a conventional method;
3) a third step of heating the precursor powder obtained through the second step so as to allow physical and chemical changes such as simultaneous melting and vaporization using plasma;
4) a step of synthesizing cerium oxide fine particles doped with a dissimilar metal by quenching the resultant which is physically and chemically changed using the plasma;
A method for producing a heterometallically doped cerium oxide fine powder using plasma
The method according to claim 1, wherein the plasma generated by microwave local heating at 700 MHz or more is used in the third step, and a method for producing a heterometallically doped cerium oxide fine powder using plasma
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| WO2019150049A1 (en) * | 2018-02-02 | 2019-08-08 | Rhodia Operations | Process of preparing a cerium-based and/or zirconium-based oxide |
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