一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法

1.本发明涉及一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。


背景技术：

2.纳米氧化铝是一种非常重要的化工材料，其具有高比表面积、高硬度、高强度，并且具有抗氧化性强、抗磨损性能好、绝缘性能好、介电损耗低等特性，在磨料、涂料、橡胶、结构材料、耐火材料、发光材料、航空航天、催化剂及其载体等领域都有重要用途。
3.目前，关于纳米氧化铝制备方法的研究报道较多，通常包括沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法和高温固相法，其中，沉淀法反应时间较长，制得的纳米氧化铝比表面积较小，如申请号为201710944136.1的中国发明专利公开了一种表面富含缺陷位的纳米氧化铝载体的制备方法，采用无机铝盐和沉淀剂在100～200℃温度下反应12～48小时制得，制得的纳米氧化铝比表面积150～400m2/g；水热合成法和溶胶凝胶法制备工序复杂，时间较长，且需要使用模板剂，制备成本较高，如申请号为201711271120.5的中国发明专利公开了一种纳米氧化铝及其制备方法，以三聚磷酸盐为模板添加剂的条件下，铝盐与氢氧化物反应生成氢氧化铝沉淀，在120～240℃温度下反应1～2小时制得；申请号为201711219461.8的中国发明专利公开了一种纳米氧化铝催化剂的制备方法，首先制备凝胶,再将凝胶高温焙烧；高温固相法则存在能耗较高的问题，且制得的纳米氧化铝存在比表面积较小、晶粒尺寸较大等缺点。
4.因此，如何采用一种制备时间短、工艺简单、能耗低、收率高的方法制备比表面积大、晶粒尺寸小的纳米氧化铝成为研究的热点和难点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对目前纳米氧化铝制备方法中存在的工序繁琐、操作时间长、能耗高、成本高等问题，提供一种制备纳米氧化铝的方法，该制备方法操作简单、能耗低、耗时短，制得的纳米氧化铝易分离、纯度高、收率高，且比表面积大、晶粒尺寸小。
6.技术方案
7.本发明采用廉价的偏铝酸盐为原料，在超临界二氧化碳条件下发生反应制得氢氧化铝前躯体，氢氧化铝焙烧制得纳米氧化铝，同时得到高品质的碳酸氢盐，反应方程式如下：
8.alo2+co2+2h2o＝al(oh)3↓
+hco39.2al(oh)3＝al2o3+3h2o
10.具体方案如下：
11.一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，包括如下步骤：
12.(1)将偏铝酸盐和去离子水加入到超临界反应釜中，室温下搅拌混合均匀，然后向反应釜中通入二氧化碳气体，使釜内压力为7～10mpa，升温进行反应，得到反应产物；反应
过程中，通过通入氮气使釜内压力保持为7～10mpa；
13.(2)将步骤(1)的反应产物进行过滤，并采用去离子水洗涤，直至滤液ph为7.0，然后将固体产物进行干燥，最后进行焙烧，得到纳米氧化铝。
14.进一步，步骤(1)中，所述偏铝酸盐和去离子水摩尔比为1:(2.0～3.2)。
15.进一步，步骤(1)中，所述偏铝酸盐为偏铝酸锂、偏铝酸钠或偏铝酸钾中的任意一种。
16.进一步，步骤(1)中，所述反应温度为30～80℃，反应时间为15～60min。
17.进一步，步骤(2)中，所述干燥温度为100℃，干燥时间为12～24h。
18.进一步，步骤(2)中，所述焙烧温度为150～200℃，焙烧时间为1～3h。
19.本发明的有益效果：
20.本发明首创性地采用超临界二氧化碳法制备纳米氧化铝，该方法能够有效地消耗二氧化碳，起到“碳中和”作用，并且所用原料少，无需加入模板剂，产物易分离，氢氧化铝为沉淀，易通过简单的过滤操作就可以从溶液中分离出，产物纯度高；另外，由于超临界二氧化碳具有高溶解性和扩散型的优点，使得偏铝酸盐在体系中与二氧化碳充分接触、快速溶解、反应，反应时间短且有利于形成大量的、晶粒尺寸小的氢氧化铝前躯体，使得最终的纳米氧化铝晶粒尺寸小、分布均匀、孔道丰富、比表面积大、总酸量多，且收率高。
附图说明
21.图1为实施例2和对比例制备的纳米氧化铝的xrd图；
22.图2为实施例2和对比例制备的纳米氧化铝的n2吸附等温线图；
23.图3为实施例2和对比例制备的纳米氧化铝的孔径分布图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作清楚、完整的说明，使可以更好地理解本发明。
25.下述实施例中，纳米氧化铝纯度测定方法：依据国家标准gb/t 6609.34-2009《氧化铝化学分析方法和物理测定方法第34部分：三氧化二铝含量的计算方法》
26.纳米氧化铝收率的计算方法：根据实际使用偏铝酸盐的量，计算得到理论上可得氧化铝的质量m1，实际所得氧化铝的质量m2，
27.实施例1
28.一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，包括如下步骤：
29.(1)将13.2g偏铝酸锂和7.2去离子水加入到超临界反应釜中，室温下以80r/min的搅拌速率搅拌60min，然后向反应釜中通入4.48l二氧化碳气体，使釜内压力为7mpa，升温至30℃反应60min，得到反应产物；反应过程中，通过通入氮气使釜内压力保持为7mpa；
30.(2)将步骤(1)的反应产物进行过滤，并采用去离子水洗涤，直至滤液ph为7.0，然后将固体产物在100℃下干燥12h，最后在150℃下焙烧1h，得到纳米氧化铝，测得纳米氧化铝的收率为96.5％，纯度为99.95％。
31.实施例2
32.一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，包括如下步骤：
33.(1)将16.4g偏铝酸钠和11.5g去离子水加入到超临界反应釜中，室温下以120r/min的搅拌速率搅拌30min，然后向反应釜中通入8.96l二氧化碳气体，使釜内压力为10mpa，升温至80℃反应15min，得到反应产物；反应过程中，通过通入氮气使釜内压力保持为10mpa；
34.(2)将步骤(1)的反应产物进行过滤，并采用去离子水洗涤，直至滤液ph为7.0，然后将固体产物在100℃下干燥24h，最后在200℃下焙烧3h，得到纳米氧化铝，测得纳米氧化铝的收率为99.9％，纯度为99.99％。
35.实施例3
36.一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，包括如下步骤：
37.(1)将19.6g偏铝酸钾和11.5g去离子水加入到超临界反应釜中，室温下以100r/min的搅拌速率搅拌45min，然后向反应釜中通入6.72l二氧化碳气体，使釜内压力为8.5mpa，升温至60℃反应30min，得到反应产物；反应过程中，通过通入氮气使釜内压力保持为8.5mpa；
38.(2)将步骤(1)的反应产物进行过滤，并采用去离子水洗涤，直至滤液ph为7.0，然后将固体产物在100℃下干燥24h，最后在200℃下焙烧3h，得到纳米氧化铝，测得纳米氧化铝的收率为99.5％，纯度为99.96％。
39.实施例4
40.一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，包括如下步骤：
41.(1)将13.2g偏铝酸锂和10.8g去离子水加入到超临界反应釜中，室温下以120r/min的搅拌速率搅拌60min，然后向反应釜中通入8.96l二氧化碳气体，使釜内压力为9mpa，升温至60℃反应60min，得到反应产物；反应过程中，通过通入氮气使釜内压力保持为9mpa；
42.(2)将步骤(1)的反应产物进行过滤，并采用去离子水洗涤，直至滤液ph为7.0，然后将固体产物在100℃下干燥12h，最后在180℃下焙烧1h，得到纳米氧化铝，测得纳米氧化铝的收率为99.7％，纯度为99.98％。
43.对比例
44.一种纳米氧化铝的制备方法：
45.(1)将16.4g偏铝酸钠和11.5g去离子水加入到超临界反应釜中，室温下以120r/min的搅拌速率搅拌30min，随后升温至80℃，连续向反应釜中通入流速为0.3l/min的二氧化碳气体30min，二氧化碳通过通气管从釜底鼓入，从釜顶排出，釜内压力保持0.1mpa，
46.(2)将步骤(1)的反应产物进行过滤，并采用去离子水洗涤，直至滤液ph为7.0，然后将固体产物在100℃下干燥24h，最后在200℃下焙烧3h，得到纳米氧化铝，测得纳米氧化铝的收率为31.4％，纯度为99.91％。
47.图1为实施例2和对比例制备的纳米氧化铝的xrd图，由图1可看出，实施例2纳米氧化铝各特征峰强度明显强于对比例，且特征峰峰形尖锐，说明其结晶度高。
48.通过bet表征得到纳米氧化铝的n2吸附等温线、孔径分布，图2为实施例2和对比例制备的纳米氧化铝的n2吸附等温线图，由图2可看出，实施例2纳米氧化铝的n2吸附等温线回滞环明显大于对比例，说明其结构中介孔数量丰富；图3为实施例2和对比例制备的纳米氧化铝的孔径分布图，由图3可知，实施例2纳米氧化铝的孔径显著大于对比例的纳米氧化铝。
49.测试实施例1-4以及对比例制得的纳米氧化铝的表面强酸量、弱酸量和总酸量，以及晶粒尺寸、比表面积，其中，通过nh
3-tpd表征，得到纳米氧化铝表面强酸量、弱酸量和总酸量，通过bet表征得到纳米氧化铝的比表面积，通过sem表征得到晶粒尺寸，结果见表1：
50.表1
[0051][0052]
由表1的测试结果可以看出，与对比例相比，本发明实施例1-4制备的纳米氧化铝具有晶粒尺寸小、比表面积大和总酸量、弱酸量多、收率高等优点，这是因为超临界二氧化碳流体具有高溶解性和高扩散性，有利于反应物之间充分、快速地接触、反应，且产物具有高度的分散性，避免了纳米颗粒间的团聚现象，从而抑制了晶粒尺寸的增大，使表面暴露的酸性活性位点数量增加。在常压下通入二氧化碳的方法中,二氧化碳在水中的溶解度较低,且常压二氧化碳气体对偏铝酸盐没有溶解性，所以反应难度较大,产物收率低。

技术特征：
1.一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将偏铝酸盐和去离子水加入到超临界反应釜中，室温下搅拌混合均匀，然后向反应釜中通入二氧化碳气体，使釜内压力为7～10mpa，升温进行反应，得到反应产物；反应过程中，通过通入氮气使釜内压力保持为7～10mpa；(2)将步骤(1)的反应产物进行过滤，并采用去离子水洗涤，直至滤液ph为7.0，然后将固体产物进行干燥，最后进行焙烧，得到纳米氧化铝。2.如权利要求1所述基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述偏铝酸盐和去离子水摩尔比为1:(2.0～3.2)。3.如权利要求1所述基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述偏铝酸盐为偏铝酸锂、偏铝酸钠或偏铝酸钾中的任意一种。4.如权利要求1所述基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述反应温度为30～80℃，反应时间为15～60min。5.如权利要求1所述基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述干燥温度为100℃，干燥时间为12～24h。6.如权利要求1至5任一项所述基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述焙烧温度为150～200℃，焙烧时间为1～3h。

技术总结
本发明涉及一种基于碳中和的纳米氧化铝的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。将偏铝酸盐和去离子水加入到超临界反应釜中，室温下搅拌混合均匀，然后向反应釜中通入二氧化碳气体，使釜内压力为7～10MPa，升温进行反应，反应过程中，通入氮气使釜内压力保持为7～10MPa；将反应产物进行过滤，并采用去离子水洗涤直至滤液pH为7.0，然后将固体产物进行干燥、焙烧，即得。本发明采用超临界二氧化碳法制备纳米氧化铝，该方法能够有效地消耗二氧化碳，起到“碳中和”作用，并且所用原料少，反应时间短，无需采用模板剂，产物易分离，制得的纳米氧化铝晶粒尺寸小、分布均匀、孔道丰富、比表面积大、总酸量多，且收率高。且收率高。且收率高。


技术研发人员：丁建飞 于盛 王蕾蕾 张恽笛
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2022/5/25