通过调控碳酸铈结晶合成高性能Y3+掺杂CeO2纳米抛光材料的研究

《Journal of Renal Nutrition》：Synthesis of high-performance Y3+ doped CeO 2 nanoabrasives through regulating crystallization of cerium carbonate☆

本文系统研究了通过调控碳酸铈前驱体结晶过程制备Y3+掺杂CeO2纳米抛光材料的新方法。通过选择结晶惰性区反应条件（NH4HCO3/Ce3+=6，60℃）并引入大半径Y3+离子，成功制备出具有高表面Ce3+浓度（20.0%-21.7%）的准球形纳米抛光剂。研究表明10 mol% Y3+掺杂样品在K9玻璃抛光中表现最佳，材料去除率（MRR）达(234.0±4.0) nm/min，表面粗糙度（Sa）为(0.304±0.018) nm，为超精密化学机械抛光（CMP）技术提供了重要材料支撑。

　　

^制备方法

七水合氯化铈（CeCl₃·7H₂O）和六水合氯化钇（YCl₃·6H₂O）购自阿拉丁试剂，碳酸氢铵（NH₄HCO₃）和无水乙醇来自西陇科学。所有化学品均为分析纯且直接使用，实验全程以去离子水为溶剂。

典型制备流程：将不同体积的1.5 mol/L CeCl₃溶液（15.00-12.00 mL）与对应体积的1.5 mol/L YCl₃溶液（0-3.00 mL）混合，使得Y³⁺掺杂量分别为0-20 mol%。将混合溶液与300 mL 1.5 mol/L NH₄HCO₃溶液同时滴加至反应器（NH₄HCO₃/Ce³⁺摩尔比=6），60℃水浴搅拌反应1小时。沉淀经过洗涤干燥后，在600℃煅烧2小时获得最终产品。

^{Y3+掺杂对前驱体及煅烧产物形貌结构的影响}

钇离子的引入显著改变了碳酸铈前驱体的形貌特征。如图1(a)所示，纯铈体系主要生成微米级条状和片状产物。当添加5 mol% Y³⁺后，前驱体仍保持微米结构（图1(b)）。而Y³⁺掺杂量增至8 mol%时，前驱体神奇地转变为纳米球状（图1(c)），这种形貌转变充分证明大半径Y³⁺离子有效抑制了碳酸铈的结晶过程。

^结论

通过调控碳酸铈结晶速率，成功制备出纳米级稀土碳酸盐前驱体及掺杂氧化铈纳米颗粒。采用高碳酸氢铈比（NH₄HCO₃/Ce³⁺=6）的反应条件，并结合轻/重稀土离子半径差异引入Y³⁺离子，显著延缓了碳酸铈的结晶过程，最终获得性能优异的纳米抛光材料。