一種二氧化硅納米層包覆的γ-氧化鋁粉體材料的制備方法
【專利摘要】一種二氧化硅納米層包覆的γ-氧化鋁粉體材料的制備方法，涉及材料工程領(lǐng)域，先將γ-氧化鋁粉體材料預(yù)處理之后放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，以SiO2前驅(qū)體作為原料，并通入氬氣和氧氣，通過SiO2前驅(qū)體的熱分解在γ-氧化鋁粉體表面包覆一層SiO2納米層，包覆結(jié)束之后，冷卻至室溫，取出，過篩。本發(fā)明提供的二氧化硅納米層包覆的γ-氧化鋁粉體材料的制備方法是通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在γ-氧化鋁粉體表面包覆SiO2納米層，從而提高了γ-氧化鋁粉體結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，提高γ-氧化鋁粉體相轉(zhuǎn)變溫度，由此制備γ-氧化鋁的粉體材料，方法操作簡易，成本低，適宜大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。
【專利說明】一種二氧化硅納米層包覆的γ-氧化鋁粉體材料的制備方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料加工工程中的粉體表面處理領(lǐng)域，具體涉及一種用于制備高溫穩(wěn) 定型催化粉體材料Y-Al2O3的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] Y-Al2O3因其具有比表面和分散度高等優(yōu)點(diǎn)，常被用作汽車尾氣凈化催化劑的載 體。在用作催化劑載體時(shí)，Y-Al2O3本身并不參加反應(yīng)，只是為反應(yīng)的物質(zhì)提供稀釋、支撐和 分散貴金屬的作用。另外，Y-Al2O3還有增強(qiáng)催化劑的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性的功能。放 置催化劑的裝置(催化轉(zhuǎn)化器)一般安裝在汽車引擎排氣口附近，常常瞬間承受l〇〇〇°C左右 的高溫。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)，如有點(diǎn)火失誤，還會(huì)引起燃油直接進(jìn)入催化器中，從而在隨 后的催化放熱中會(huì)導(dǎo)致近1400°C的更高溫度(輕金屬，2007,7,pl5-17)。在如此高的工作 溫度下，Y-Al2O3會(huì)發(fā)生相變以及熱燒結(jié)，導(dǎo)致比表面積下降，進(jìn)而引起表面活性金屬組份 聚集，使催化劑活性下降。因此，穩(wěn)定Y-Al2O3的結(jié)構(gòu)，使其在高溫下保持大的比表面積，防 止轉(zhuǎn)化為小比表面積的Y-Al2O3，對(duì)于提高催化劑的熱穩(wěn)定性從而便于工業(yè)應(yīng)用具有重要 的意義。
[0003] 為提高Y-Al2O3載體的熱穩(wěn)定性，多采用添加熱穩(wěn)定助劑的手段(Applied CatalysisA:General, 2001，207，p95_102)。研究表明，SiO2 的添加可以通過阻礙Al原 子由四面體位置向八面體位置的遷移，穩(wěn)定Y-Al2O3的物相結(jié)構(gòu)，從而提高Y-Al2O3的熱 穩(wěn)定性(無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2007,23，？533-536)。！1〇1^11(*丨等人以異丙醇鋁和四乙氧基硅烷為 原料，制備了SiOdi性的γ-Al2O3，經(jīng)1200 °C焙燒后其比表面積為150m2%1(Journal ofNon-CrystallineSolids, 2001,291，pl87_198)。岳寶華等人以工業(yè)鹽為原料，采用溶 膠-凝膠法和超臨界流體干燥法制備了SiO2改性的Y-Al2O3 (無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2007,23， P533-536)，其中Y-Al2O3-IOwt.。/說02經(jīng)過1100 °C焙燒后比表面積為233m2*g4,主要以 Y-Al2O3物相存在。Saito等人通過水解正硅酸乙酯（Si(OC2H5)4，簡稱TE0S)的方法制備 了非晶SiO2和γ-Al2O3的混合粉體，用球磨濕混的方法制備了石英或方石英和γ-Al2O3的 混合粉體（JournaloftheAmericanCeramicSociety，1998,81，p2197_ 2200)。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明，只有非晶SiO2能夠有效抑制Y-Al2O3的高溫相變。
[0004] 綜上所述，目前添加改性助劑的方法主要有兩種，一種是直接混合法，一種是化學(xué) 共沉淀方法。直接混合法將制備的Y-Al2O3粉體與改性劑采用球磨等方法直接混合，然后 過篩。這種方法容易導(dǎo)致助劑的分散不均勻以及Y-Al2O3粉體的團(tuán)聚，從而導(dǎo)致材料比表 面積的下降；而化學(xué)共沉淀法采用液體溶液作為混合介質(zhì)，沉淀法制備的粉體還需要后續(xù) 的干燥處理。這樣不僅導(dǎo)致步驟冗長，而且液體廢料的處理也費(fèi)時(shí)費(fèi)力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題：針對(duì)上述問題，本發(fā)明提供了一種在Y-Al2O3粉體表面 包覆SiO2納米層，制備高溫穩(wěn)定型催化粉體材料γ-Al2O3的制備方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案：一種二氧化硅納米層包覆Y-氧化鋁的粉體材料的制備方 法，制備步驟如下： (1) 將Y-Al2O3粉體進(jìn)行干燥和過篩預(yù)處理,然后將處理好的γ-Al2O3粉體放置于化 學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，抽真空至5-20Pa,預(yù)熱至包覆溫度； (2) 以SiO2前驅(qū)體作為原料，對(duì)原料進(jìn)行加熱，加熱至70-130°C，反應(yīng)室開始旋轉(zhuǎn)； (3) 將原料、氬氣和氧氣通入反應(yīng)室，然后調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)壓力，開始包覆； (4) 包覆結(jié)束后，反應(yīng)室停止旋轉(zhuǎn)，并停止通入原料、氬氣和氧氣，待冷卻至室溫，取出， 過篩； 其中：氬氣氣體流量為20-100sccm，氧氣氣體流量為10-50sccm，旋轉(zhuǎn)速率15-60r/min，反應(yīng)室內(nèi)壓力為200-1000Pa，包覆溫度為400-700°C，包覆時(shí)間為10_300min。
[0007] 作為優(yōu)選，Y-Al2O3粉體的平均粒徑為0. 1-lOOum，純度大于95%。
[0008] 作為優(yōu)選，Y-Al2O3粉體在預(yù)處理中干燥的溫度為150°C，烘干5-10h。
[0009]作為優(yōu)選，所述SiO2前驅(qū)體為正硅酸乙酯。
[0010]作為優(yōu)選，Y-Al2O3粉體在預(yù)處理中過篩的篩孔的尺寸為50-200目，過篩次數(shù)為 3次。
[0011]作為優(yōu)選，Y-Al2O3粉體從反應(yīng)室取出后進(jìn)行過篩的篩孔的尺寸為50-200目，過 篩次數(shù)為3次。
[0012] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的SiO2納米層包覆的Y-Al2O3粉體材料的制備方 法，是通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)，通過氧氣促進(jìn)正硅酸乙酯熱分解的方式在Y-Al2O3粉體表 面包覆一層SiO2納米層，從而提高了γ-Al2O3粉體結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，包覆之后的Y-Al2O3 粉體相轉(zhuǎn)變溫度比未包覆的相轉(zhuǎn)變溫度提高100-200°C，而且在制備過程中，可通過對(duì)包覆 溫度、包覆時(shí)間、反應(yīng)室旋轉(zhuǎn)速率和反應(yīng)室內(nèi)部壓力等諸多參數(shù)的調(diào)整，控制SiO2納米層的 厚度。整個(gè)制備方法中沒有使用溶液，避免了廢液的處理問題，由此方法制備Y-Al2O3粉體 材料，方法操作簡單，成本低，適宜大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，制備的Y-Al2O3粉體材料可應(yīng)用于汽 車尾氣凈化、甲醇制氫等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法制備的Y-Al2O3粉體材料的電鏡掃描圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明二氧化硅納米層包覆的Y-氧化鋁粉體材料的制備方法的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是 應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求的 限制。
[0016] 實(shí)施例1 本發(fā)明提供的二氧化硅納米層包覆的Y-氧化鋁粉體材料的制備方法，制備步驟如 下： (1)選用Y-Al2O3粉體的純度為95%，粒徑為IOOnm,將γ-Al2O3粉體干燥之后過篩，干 燥的溫度為150°C，烘干5h，篩孔的尺寸為200目，過篩三次；然后將處理好的γ-Al2O3粉體 放置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，抽真空至5Pa，預(yù)熱至400°C; (2) 以正硅酸乙酯為原料，加熱，溫度達(dá)到80°C，反應(yīng)室開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率30r/min; (3) 將原料、氬氣和氧氣通入反應(yīng)室，其中氬氣氣體流量為30sccm，氧氣氣體流量為 20sccm，然后調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)壓力，壓力為500Pa，包覆過程中，溫度為400°C，包覆進(jìn)行時(shí)間 為 20min; (4) 包覆結(jié)束后，反應(yīng)室停止旋轉(zhuǎn)，并停止通入原料、氬氣和氧氣，待冷卻至室溫，取出， 過篩，篩孔的尺寸為200目，過篩三次； 將取出的SiO2納米層包覆γ-Al2O3的粉體材料通過場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡和能譜 分析測得SiO2納米層的厚為5nm。制備出的Y-Al2O3粉體材料的電鏡掃描圖如圖1所示。
[0017] 實(shí)施例2 本發(fā)明提供的二氧化硅納米層包覆的Y-氧化鋁粉體材料的制備方法，制備步驟如 下： (1) 選用Y-Al2O3粉體的純度為96%，粒徑為1μm，將Y-Al2O3粉體干燥之后過篩，干 燥的溫度為150°C，烘干7h，篩孔的尺寸為200目，過篩三次；然后將處理好的γ-Al2O3粉體 放置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，抽真空至l〇Pa，預(yù)熱至500°C; (2) 以正硅酸乙酯為原料，加熱，溫度達(dá)到90°C，反應(yīng)室開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率45r/min; (3) 將原料、氬氣和氧氣通入反應(yīng)室，其中氬氣氣體流量為40sccm，氧氣氣體流量為 10sccm，然后調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)壓力，壓力為500Pa，包覆過程中，溫度為500°C，包覆進(jìn)行時(shí)間 為 30min; (4) 包覆結(jié)束后，反應(yīng)室停止旋轉(zhuǎn)，并停止通入原料、氬氣和氧氣，待冷卻至室溫，取出， 過篩，篩孔的尺寸為200目，過篩三次； 將取出的SiO2納米層包覆γ-Al2O3的粉體材料通過場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡和能譜 分析測得SiO2納米層的厚為20nm。
[0018] 實(shí)施例3 本發(fā)明提供的二氧化硅納米層包覆的Y-氧化鋁粉體材料的制備方法，制備步驟如 下： (1) 選用Y-Al2O3粉體的純度為98%，粒徑為10μm，將Y-Al2O3粉體干燥之后過篩，干 燥的溫度為150°C，烘干8h，篩孔的尺寸為100目，過篩三次；然后將處理好的γ-Al2O3粉體 放置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，抽真空至15Pa，預(yù)熱至500°C; (2) 以正硅酸乙酯為原料，加熱，溫度達(dá)到90°C，反應(yīng)室開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率60r/min; (3) 將原料、氬氣和氧氣通入反應(yīng)室，其中氬氣氣體流量為40sccm，氧氣氣體流量為 10sccm，然后調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)壓力，壓力為800Pa，包覆過程中，溫度為500°C，包覆進(jìn)行時(shí)間 為 60min; (4) 包覆結(jié)束后，反應(yīng)室停止旋轉(zhuǎn)，并停止通入原料、氬氣和氧氣，待冷卻至室溫，取出， 過篩，篩孔的尺寸為100目，過篩三次； 將取出的SiO2納米層包覆γ-Al2O3的粉體材料通過場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡和能譜 分析測得SiO2納米層的厚為50nm。
[0019] 實(shí)施例4 本發(fā)明提供的二氧化硅納米層包覆的Y-氧化鋁粉體材料的制備方法，制備步驟如 下： (1) 選用Y-Al2O3粉體的純度為99%,粒徑為50μm,將Y-Al2O3粉體干燥之后過篩,干 燥的溫度為150°C，烘干10h，篩孔的尺寸為100目，過篩三次；然后將處理好的γ-Al2O3粉 體放置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，抽真空至20Pa，預(yù)熱至600°C; (2) 以正硅酸乙酯為原料，加熱，溫度達(dá)到110°C，反應(yīng)室開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率15r/min; (3)將原料、氬氣和氧氣通入反應(yīng)室，其中氬氣氣體流量為2〇SCCm，氧氣氣體流量為 20sccm，然后調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)壓力，壓力為lOOOPa，包覆過程中，溫度為600°C，包覆進(jìn)行時(shí)間 為 60min; (4)包覆結(jié)束后，反應(yīng)室停止旋轉(zhuǎn)，并停止通入原料、氬氣和氧氣，待冷卻至室溫，取出， 過篩，篩孔的尺寸為100目，過篩三次； 將取出的SiO2納米層包覆γ-Al2O3的粉體材料通過場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡和能譜 分析測得SiO2納米層的厚為200nm。
[0020] 實(shí)施例5 本發(fā)明提供的二氧化硅納米層包覆的Y-氧化鋁粉體材料的制備方法，制備步驟如 下： (1) 選用Y-Al2O3粉體的純度為97%，粒徑為100μm，將Y-Al2O3粉體干燥之后過篩， 干燥的溫度為150°C，烘干10h，篩孔的尺寸為50目，過篩三次；然后將處理好的γ-Al2O3粉 體放置于化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，抽真空，預(yù)熱至700°C; (2) 以正硅酸乙酯為原料，加熱，溫度達(dá)到110°C，反應(yīng)室開始旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速率45r/min; (3) 將原料、氬氣和氧氣通入反應(yīng)室，其中氬氣氣體流量為50sccm，氧氣氣體流量為 10sccm，然后調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)壓力，壓力為800Pa，包覆過程中，溫度為700°C，包覆進(jìn)行時(shí)間 為 120min; (4)包覆結(jié)束后，反應(yīng)室停止旋轉(zhuǎn)，并停止通入原料、氬氣和氧氣，待冷卻至室溫，取出， 過篩，篩孔的尺寸為50目，過篩三次； 將取出的SiO2納米層包覆γ-Al2O3的粉體材料通過場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡和能譜 分析測得SiO2納米層的厚為500nm。
[0021] 將上述【具體實(shí)施方式】制成的Y-Al2O3的粉體進(jìn)行相變溫度測試，結(jié)果如下： 表1實(shí)施例1-5的SiC^納米層厚度及包覆后γ-AUO3的相變溫度

【權(quán)利要求】
1. 一種二氧化硅納米層包覆的γ-氧化鋁粉體材料的制備方法，其特征在于，制備步 驟如下： (1) 將Υ-Α1203粉體進(jìn)行干燥和過篩I預(yù)處理，然后將處理好的Υ-Α120 3粉體放置于 化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室內(nèi)，抽真空至5-20Pa,預(yù)熱至包覆溫度； (2) 以Si02前驅(qū)體為原料，對(duì)原料進(jìn)行加熱，加熱至70-130°C，反應(yīng)室開始旋轉(zhuǎn)； (3) 將原料、氬氣和氧氣通入反應(yīng)室，然后調(diào)整反應(yīng)室內(nèi)壓力，開始包覆； (4) 包覆結(jié)束后，反應(yīng)室停止旋轉(zhuǎn)，并停止通入原料、氬氣和氧氣，待冷卻至室溫，取出， 過篩II ; 其中：氬氣氣體流量為20-100 sccm，氧氣氣體流量為10-50 sccm，旋轉(zhuǎn)速率15-60r/ min，反應(yīng)室內(nèi)壓力為200-1000Pa，包覆溫度為400-700°C，包覆時(shí)間為10_300min。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅納米層包覆的氧化鋁粉體材料的制備方法，其 特征在于，Y -A1203粉體的平均粒徑為0. l-100um，純度大于95%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅納米層包覆的氧化鋁粉體材料的制備方法，其 特征在于，Y-A1203粉體在預(yù)處理中干燥的溫度為150°C，烘干5-10h。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅納米層包覆的氧化鋁粉體材料的制備方法，其 特征在于，所述Si02前驅(qū)體為正硅酸乙酯。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅納米層包覆的氧化鋁粉體材料的制備方法，其 特征在于，Y -A1203粉體在預(yù)處理進(jìn)行過篩I的篩孔的尺寸為50-200目，過篩次數(shù)為3次。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的二氧化硅納米層包覆的氧化鋁粉體材料的制備方法，其 特征在于，Y-A1203粉體從反應(yīng)室取出后進(jìn)行過篩II的篩孔的尺寸為50-200目，過篩次數(shù) 為3次。
【文檔編號(hào)】B01J32/00GK104275171SQ201410269874
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】張建峰, 吳玉萍, 洪晟, 李改葉, 郭文敏 申請(qǐng)人:河海大學(xué)