添加柠檬酸超声喷雾热解合成镍铈固溶体空心微粒

一、研究背景与意义
中空微颗粒具备低密度、高比表面积、低热导率等独特理化特性，在隔热材料、轻质填料、催化、药物载体等领域具备广阔应用前景。现有中空颗粒主流制备工艺为传统模板法，需合成模板、包覆壳层、去除模板三步操作，流程繁琐、生产成本高。喷雾热解作为一步式无模板制备工艺，依靠液滴溶剂快速挥发、溶质表面析出直接形成中空结构，工艺简洁可控，成为新型多孔氧化物粉体的主流合成手段。

镍铈复合氧化物是甲烷、乙醇水蒸气重整反应的核心催化材料。传统负载型Ni/CeO₂催化剂存在高温金属镍烧结、积碳难消除等缺陷；而NixCe1−xO2−x萤石型固溶体可将镍离子均匀掺杂进氧化铈晶格，氢还原后生成高度分散金属镍，大幅提升金属-载体界面面积，抑制高温烧结，催化稳定性显著提升。但共沉淀法制备的镍铈固溶体多为实心颗粒，孔道与活性位点数量有限，限制催化性能进一步提升。基于此，本文采用柠檬酸辅助超声喷雾热解，一步调控镍铈固溶体内部形貌，实现实心、海绵多孔、大空腔中空颗粒的可控合成。

二、实验设计与合成机理
实验以六水硝酸镍、六水硝酸铈为金属前驱体，柠檬酸为内模板添加剂，配制镍铈摩尔比1:3、1:2、1:1三种前驱液，利用超声雾化形成微小液滴，经高温热解制备复合氧化物微颗粒。柠檬酸在体系中兼具络合与模板双重作用：液滴干燥阶段，柠檬酸优先在液滴内部析出大量有机微晶；高温焙烧时柠檬酸完全热分解挥发，在颗粒内部留下大量孔洞，以此构建多孔/中空结构。通过改变柠檬酸浓度，可精准调控颗粒内部空腔形态：低柠檬酸浓度得到实心颗粒，中等浓度生成网络状海绵多孔颗粒，高浓度形成单一大球形空腔中空颗粒。相较于传统模板法，该体系全程一步完成，无需后处理去除模板，工艺优势突出。

三、物相与形貌调控结果
XRD物相表征结果显示，镍掺杂比例直接决定产物晶相组成。当原料中镍摩尔分数为25%时，产物仅出现氧化铈萤石结构特征峰，无氧化镍杂相，生成纯相NixCe1−xO2−x固溶体；镍摩尔占比提升至33%及以上时，图谱出现明显NiO衍射峰，产物为镍铈固溶体与氧化镍两相混合物，过高镍掺杂量会破坏晶格固溶极限，析出单质氧化镍杂相。柠檬酸浓度仅调控微观形貌，不改变晶体物相种类，证明元素配比是决定固溶体纯度的核心因素。

从结构优势来看，海绵状多孔颗粒优于单一空腔中空颗粒：内部连通网络可提供海量催化活性位点，同时骨架结构能有效抑制颗粒高温坍塌，更适配高温重整催化场景。经氢气还原后，多孔固溶体颗粒内外表面均可析出超细镍晶粒，金属分散度远高于实心粉体，从结构层面解决镍基催化剂烧结失活痛点。

四、研究结论与应用展望
本研究建立柠檬酸辅助超声喷雾热解一步制备镍铈氧化物固溶体中空微颗粒的新方法，明确两大关键调控规律：一是镍掺杂摩尔分数25%为纯相固溶体制备临界值，高镍比例易产生氧化镍杂相；二是柠檬酸可作为内模板，通过浓度调节实现实心、海绵多孔、中空颗粒的形貌精准切换。该工艺简化传统多步模板合成流程，制备的多孔镍铈固溶体兼具高金属分散度与稳定骨架结构，在甲烷水蒸气重整、尾气催化净化等反应中具备极高应用潜力。后续可进一步优化热解温度、雾化速率等参数，细化孔道尺寸调控策略，为高性能稀土基催化材料规模化制备提供新思路。

联系电话：18918712959