纳米氧化铝的制备与应用

纳米氧化铝的制备与应用

作者：XXX

摘要：纳米技术日新月异，纳米材料科学也不断的进步。纳米氧化铝作为纳米材料的一员，因其特殊的性能成为一种用途广泛的纳米材料，其制备方法不断涌现，其应用范围也不断拓展，已逐渐成为重要的无机纳米材料。对纳米氧化铝的制备方法与应用的领域做进一步的研究，有着十分重要的经济意义和现实意义。本文主要介绍了纳米氧化铝的制备方法和应用现状，并对其研究前景作了简要展望。

关键词：纳米氧化铝，制备，应用

引言

纳米氧化铝是一种尺寸为1~ 100nm的超微颗粒, 具有强的体积效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应, 在光、电、热力学和化学反应等许多方面表现出一系列的优异性能, 广泛用作精细陶瓷、复合材料、荧光材料、湿敏性传感器及红外吸收材料等[1,2]。自80年代中期Gleiter 等制得纳米级Al2O3粉末以来, 人们对这一高新材料的认识不断加深并发现其中有许多特性, 本文试对其制备方法与应用研究取得的进展作一综述。

1 纳米Al2O3的制备技术

目前纳米Al2O3的制备方法可归纳为固相法、气相法和液相法三大类, 但随着科技的不断发展和对不同物理、化学特性超微粒的需求, 在上述三类方法的基础上又衍生出许多新的技术。

1. 1 气相合成法

气相法制备高纯超细粒子氧化铝主要采用化学气相沉积法( Chemical Vapor Deposition法) , 是以金属单质、卤化物、氢化物或有机金属化合物为原料, 通过气相加热分解和化学反应合成微粒。

1. 1. 1 火焰CVD[ 3, 4]

借助惰性气体将反应物送进反应室中, 燃料气体的火焰将反应物蒸发, 气态反应物被氧化成粒径为10~50nm的超细高纯氧化铝粉末。反应物母体为金属铝的碳水化合物、氧化铝; 氧化剂为氧气; 产生火焰的燃料气体是氢气、甲烷、乙烯、乙炔或它们的混合气体, 并用惰性气体稀释; 所用燃烧炉是逆流扩散火焰燃烧炉。美国Chen Y J[5]等利用此法制备出粒径为30~ 50nm的无团聚氧化铝纳米粒子。

1. 1. 2 激光热解CVD法

意大利的E Borsella[6]利用三甲基铝Al(CH3) 3和N2O作为气相反应物, 加入C2H4作为反应敏化剂,采用CO2激光( C2H4在CO2激光发射波长处有共振吸收) 加热进行反应, 然后在1200~ 1400 下进行热处理成功地合成了粒径为15~ 20nm的Al2O3粒子。经X射线衍射、电镜和BET表面积测试, 粉末主要为球形单晶纳米粒子。

1. 1. 3 激光加热蒸发CVD法

日本专利[ 7]提出氧化铝陶瓷( 纯度为99. 99%)作为蒸发源, 放在一个压力为0. 01Pa的真空泵中,通O2、CO或CO2, 使压力保持在15Pa左右, 用CO2激光照射氧化铝陶瓷使之蒸发, 蒸发出的氧化铝在气体中迅速冷却得到超细高纯氧化铝。Bharti[ 8]用此法制备20~ 30nm的氧化铝球形粒子。该方法具有能量转换效率高、粒子大小均一、不团聚、粒径小、可精确控制等优点, 但成本高、产率低、难以实现工业化生产。

1. 2 液相合成法

1. 2. 1 溶胶 凝胶法

溶胶 凝胶法是目前在氧化物纳米粉制备中研究和应用较多的一种方法, 其步骤如下: 有机铝盐溶解于有机溶剂中, 形成均匀溶液, 逐滴加入蒸馏水,经过水解、聚合形成溶胶, 然后陈化转变为凝胶。凝胶在抽真空的情况下低温干燥、磨细可得氢氧化铝细粉, 再经煅烧即得氧化铝纳米粉。赵秦生等[9]采用乙醇铝为前驱物, 与烷烃配成溶液, 加少量非离子表面活性剂, 进行水解, 经真空干燥所得干凝胶在500 和1200 下煅烧, 分别得到粒径为40nm 和100nm的 - Al2O3 和 - Al2O3 球形粉末。Felde B等[10]以异丁醇铝为前驱体, 加入乙酰丙酮和硝酸铵, 经水解、陈化形成凝胶, 再经干燥、煅烧得到粒径为50nm的 -Al2O3粒子。近年来络合物 凝胶法应用较为广泛, 其基本过程如下: 用铝的无机盐和有机络合剂制备出金属络合物溶胶, 再陈化得凝胶, 碾碎、煅烧得稳定氧化铝细粉。陈忠[ 11]与李继光[ 12]利用这种方法分别得到14nm和10nm的球形氧化铝粒子, 并且无明显团聚现象。王宏志等[12]在Al( NO3) 3溶液中加入丙烯酰胺单体、N, N -亚甲基丙烯酰胺网络剂, 在80 聚合获得凝胶, 经过干燥、煅烧得10nm的 -Al2O3粉体。该方法是在室温附近的湿化学反应, 其优点是能用分子水平设计来控制材料的均匀性及粒度, 得到高纯超细材料; 缺点是原料价格高, 有机溶剂有毒性, 以及在高于1200 处理粒子会快速凝聚。

1. 2. 2 微乳液法[ 14, 15]

W/ O型微乳液是由水、与水不相溶的有机溶剂、表面活性剂和助表面活性剂组成的透明或半透明的热力学稳定体系。金属盐类可以溶解在水相中, 形成极其微小而被表面活性剂、油相包围的水核, 在这些水核中发生沉淀反应, 产生的微粒经洗涤、干燥、煅烧得到纳米氧化铝粒子。法国的EPonthieu[16]利用硝酸铝、二甲苯( 或环己烷、葵烷等) 、tween80( 或span20、40、80、85) 组成微乳液体系, 制得40~50nm的氧化铝粒子。甘礼华[17]等用氢氧化铝和氢氢化钠反应生成偏铝酸钠溶液, 再用硝酸中和成氢氧化铝凝胶, 搅拌并超声成透明溶胶,再以正己醇和Triton X- 100( 2 3) 、Al( OH) 3溶胶、环己烷组成均匀透明的微乳液体系, 可制得粒径为9nm的Al2O3。该方法得到的粒子粒径小、分布均匀、稳定性高、重复性好; 但由于所制得粒子过细, 固液分离较难进行, 抽滤和离心分离效果不好。

1. 2. 3 液相沉淀法

沉淀法为在溶液状态下, 将成分原子混合, 往溶液中加入适当的沉淀剂来制备陶瓷前驱体的沉淀,再煅烧得陶瓷粉末。它包括直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒的方法; 共沉淀法是把沉淀剂加入混合后的金属盐溶液中, 促使各组分均匀混合沉淀, 然后加热分解得超微粒; 均匀沉淀法是在溶液中加入某种物质, 使之通过溶液中的化学反应,缓慢生成沉淀剂, 只要控制沉淀剂的生成速度, 就可以避免浓度不均匀现象, 使过饱和度控制在适当的范围内, 从而控制粒子的生长速度, 获得凝聚少、纯度高的超细粉。顾燕芳[18]以Al(NH4)(CO3) 2和(NH4)2CO3为原料, 利用直接沉淀法制得粒径为90nm、纯度为99. 98%的无定形氧化铝球形粉末。周曦亚[19]采用均匀沉淀法, 以硝酸铝和脲为原料制得氢氧化铝凝胶, 再用低表面张力的乙醇为脱水剂, 得到40nm 以下的-Al2O3粒子, 防团聚效果较好。该法的优点是能精确控制粒子的化学组成, 易添加微量有效成分, 制得多种成分均一的高纯复合物; 缺点是制备过程中影响因素较多( 控制的主要参数是溶液的组成、浓度、温度、时间) , 形成分散粒子的条件苛刻。

1. 2. 4 相转移分离法

该方法的基本原理为: 往铝盐溶液中加入氢氧化钠溶液或其它碱性溶液, 当刚开始产生氢氧化铝沉淀时, 通过加热且超声粉碎使之溶胶化; 在水溶胶中加入阴离子表面活性剂, 抑制核的生长和凝聚, 再加入有机溶剂, 使粒子转入到有机相中; 加热且减压除去溶剂, 将残留物质干燥、煅烧得到氧化铝纳米粒子。周恩绚等[20]在高速搅拌下, 将硫酸铝铵溶液迅速加入到碳酸氢铵溶液中生成溶胶, 再加表面活性剂Span(山梨糖醇脂类) 和有机溶剂二甲