一種3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁材料及制備方法
【專利摘要】一種3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁及其制備方法，首先將鋁鹽、沉淀劑和添加劑組成混合溶液，鋁鹽包括AlCl3或Al(NO3)3，沉淀劑為Na3PO4或Na2SiO3，添加劑包括K2SO4、Na2SO4中的一種或者兩種組合，將該溶液攪拌后在水熱釜中150～160℃下反應(yīng)8～15h，產(chǎn)物經(jīng)自然冷卻、過(guò)濾、洗滌、真空干燥、焙燒后，得到產(chǎn)品。該產(chǎn)品為粉體材料，粉體材料中每個(gè)顆粒具有棒狀幾何外觀，直徑為0.1～0.2um，長(zhǎng)度為1～1.5um；該棒狀結(jié)構(gòu)由直徑10～15nm、長(zhǎng)0.5～1.5um的一維納米短棒自組裝堆積組成3D納米結(jié)構(gòu)。本方法簡(jiǎn)單、條件溫和，成本低廉無(wú)需其它模板劑，制備得到氧化鋁在納米陶瓷、復(fù)合材料增強(qiáng)物、生物領(lǐng)域有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】一種3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁的制備方法，屬于無(wú)機(jī)納米材料制備工藝【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】: [0002]3D納米材料是納米材料中的重要組成部分，在基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的前景。3D納米結(jié)構(gòu)是由低維納米結(jié)構(gòu)包括納米顆粒、納米纖維、納米棒、納米薄片等做為構(gòu)筑單元通過(guò)自組裝方式構(gòu)成的。由于具有納米尺度的結(jié)構(gòu)單元和微米及以上尺度的整體形貌，使得材料在保持原有的納米特性外，還具備結(jié)構(gòu)有序、性能可控等優(yōu)點(diǎn)；微-納米尺度的耦合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)使其具有高表面能和特殊表面性質(zhì)，并克服了納米材料易團(tuán)聚、回收困難的缺點(diǎn)。此外，有序的結(jié)構(gòu)還有利于流體的傳質(zhì)。因此3D納米結(jié)構(gòu)既能保持納米材料的特性，又能克服材料納米化產(chǎn)生的缺點(diǎn)，在復(fù)合材料增強(qiáng)物、陶瓷材料、藥物載體、生物醫(yī)學(xué)材料、催化劑和光學(xué)材料等領(lǐng)域具有潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值。
[0003]3D納米結(jié)構(gòu)r-Al203作為一種重要的金屬氧化物納米材料，在復(fù)合材料、陶瓷領(lǐng)域、吸附、催化和分離的潛在應(yīng)用價(jià)值尤其受到人們的關(guān)注。目前研究人員采用不同方法成功制備的由具有ID結(jié)構(gòu)的納米棒、納米片等低維結(jié)構(gòu)單元組裝而成的具有3D納米結(jié)構(gòu)的r-Al203的形貌包括紡錘、花狀、球狀，而對(duì)于具有3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r-Al203材料及其制備方法迄今還沒(méi)有見(jiàn)到文獻(xiàn)和專利公開(kāi)報(bào)道。3D棒狀納米結(jié)構(gòu)材料是指以一維(ID)納米棒或納米纖維作為結(jié)構(gòu)單元自組裝成整體形貌為棒狀的3D納米結(jié)構(gòu)材料。同時(shí)目前研究者多采用的制備方法如模板法、水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法、熱分解法制備3D結(jié)構(gòu)材料也存在以下缺陷:需要加入有機(jī)模板劑或誘導(dǎo)劑使得制備的產(chǎn)物中易引入雜質(zhì)，且形貌控制劑價(jià)格相對(duì)較貴；反應(yīng)條件要求較高或操作復(fù)雜等。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明目的在于提供一種3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁材料及制備方法，是通過(guò)無(wú)模板水熱法實(shí)現(xiàn)，該方法較以往之方法原料易得，成本低廉，操作簡(jiǎn)單，可以克服其它工藝條件苛刻，工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]本發(fā)明制備的3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁材料為粉體材料，粉體材料的每個(gè)顆粒的幾何外觀為棒狀，直徑為0.1~0.2um,長(zhǎng)度為I~1.5um ;是由取向相同的一維納米棒單元自組裝并排相互堆積組成的3D納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,其中一維納米棒單元直徑為10~15nm、長(zhǎng) 0.5 ~L 5um。
[0007]其制備方法包括以下步驟:
[0008]1、稱取一定量可溶性鋁鹽溶于去離子水-醇混合溶劑中，并在其中相繼加入一定量沉淀劑和添加劑。鋁鹽為硝酸鋁、氯化鋁中的一種，沉淀劑為無(wú)機(jī)鹽磷酸鈉、硅酸鈉，添加劑為硫酸鉀、硫酸鈉中的一種或兩種組合。所述鋁鹽:沉淀劑摩爾比為100:0.1~0.4 ;水熱反應(yīng)溶劑為水加酒精混合溶劑，比例為5:1~7:1 ;其中添加劑質(zhì)量為沉淀劑質(zhì)量的
0.1 ~0.2 倍。
[0009]2、將步驟I)所得溶液進(jìn)行磁力攪拌2~4h，得到混合溶液并轉(zhuǎn)移至水熱釜中，并在溫度150~160°C、反應(yīng)時(shí)間為8~15h進(jìn)行水熱反應(yīng)。
[0010]3、將水熱后所得沉淀物，用去離子水和乙醇洗滌多次，并在60~80°C下真空干燥3 ~4h。
[0011]4、將真空干燥產(chǎn)物在600~700°C的靜態(tài)空氣氣氛下焙燒I~2h，制得3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r-Al203粉體，由圖1、圖2和圖3可見(jiàn)，制得的粉體的每個(gè)顆粒的幾何外觀為棒狀，直徑為0.1~0.2um,長(zhǎng)度為I~1.5um。是由取向相同的一維納米棒單元自組裝并排相互堆積組成的3D納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,其中一維納米棒單元直徑為10~15nm、長(zhǎng)0.5~1.5um。
[0012]本發(fā)明提供的是一種簡(jiǎn)單的3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁的無(wú)模板制備方法。該方法較以往之方法原料易得，成本低廉，操作簡(jiǎn)單，處理方便，條件溫和，無(wú)需其它模板劑，可以克服其他工藝條件苛刻、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。制備的棒狀三維納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁納米材料可廣泛應(yīng)用于納米陶瓷、復(fù)合材料增強(qiáng)物、生物醫(yī)學(xué)材料等領(lǐng)域中。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明產(chǎn)物3D棒狀納米結(jié)構(gòu)Y -Al2O3的XRD譜圖；
[0014]圖2為本發(fā)明產(chǎn)物3D棒狀納米結(jié)構(gòu)Y -Al2O3的TEM圖片；
[0015]圖3為本發(fā)明產(chǎn)物3D棒狀納米結(jié)構(gòu)Y -Al2O3的SEM圖片。
[0016]圖4為對(duì)比試驗(yàn)的實(shí)施例6得到的產(chǎn)物的TEM圖片
[0017]圖5為對(duì)比試驗(yàn)的實(shí)施例7得到的產(chǎn)物的SEM圖片
[0018]圖6為對(duì)比試驗(yàn)的實(shí)施例8得到的產(chǎn)物的SEM圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0020]實(shí)施例1:稱取0.4895g (2mmol)氯化鋁溶于80ml去離子水-乙醇為5:1的混合溶劑中，在其中加入0.0023g (0.008mmol)硅酸鈉、0.0002g硫酸鈉和0.0002g硫酸鉀，磁力攪拌2h后，將所得透明溶液放入反應(yīng)釜并在160°C條件下15h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物分離，將所得沉淀物過(guò)濾并用去離子水和乙醇洗滌多次，最后在80°C下真空烘干3h得到白色粉末，然后將其在600°C靜態(tài)空氣氣氛下焙燒lh，制得3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r-Al203粉體，粉體的每個(gè)顆粒的幾何外觀為棒狀，直徑為0.1~0.2um,長(zhǎng)度為I~1.5um。
[0021]實(shí)施例2:稱取0.75g (2mmol)硝酸鋁溶于80ml去離子水-乙醇為7:1的混合溶劑中，在其中加入0.00076g (0.002mmol)磷酸鈉和0.0OOlg硫酸鉀，磁力攪拌3h后，將所得透明溶液放入反應(yīng)釜并在160°C條件下12h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物分離，將所得沉淀物過(guò)濾并用去離子水和乙醇洗滌多次，最后在80°C下真空烘干3h得到白色粉末，然后將其在650°C靜態(tài)空氣氣氛下焙燒2h，制得3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r-Al203粉體，粉體的每個(gè)顆粒的幾何外觀為棒狀，直徑為0.1~0.2um,長(zhǎng)度為I~1.5um。
[0022]實(shí)施例3 -M 0.75g (2mmol)硝酸鋁溶于80ml去離子水-乙醇為5:1的混合溶劑中，在其中加入0.003g (0.008mmol)磷酸鈉和0.0003g硫酸鈉磁力攪拌4h后，將所得透明溶液放入反應(yīng)釜并在150°C條件下12h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物分離，將所得沉淀物過(guò)濾并用去離子水和乙醇洗滌多次，最后在70°C下真空烘干3h得到白色粉末，然后將其在700°C靜態(tài)空氣氣氛下焙燒lh，制得3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r-Al203粉體，粉體的每個(gè)顆粒的幾何外觀為棒狀，直徑為0.1~0.2um,長(zhǎng)度為I~1.5um。
[0023]實(shí)施例4:稱取0.4895g (2mmol)氯化鋁溶于80ml去離子水-乙醇為6:1的混合溶劑中，在其中加入0.0014g (0.005mmol)硅酸鈉和0.0002g硫酸鈉，磁力攪拌3h后，將所得透明溶液放入反應(yīng)釜并在150°C條件下12h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物分離，將所得沉淀物過(guò)濾并用去離子水和乙醇洗滌多次，最后在60°C下真空烘干4h得到白色粉末，然后將其在600°C靜態(tài)空氣氣氛下焙燒2h，制得3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r-Al203粉體，粉體的每個(gè)顆粒的幾何外觀為棒狀，直徑為0.1~0.2um,長(zhǎng)度為I~1.5um。
[0024]實(shí)施例5:稱取0.75g (2mmol)硝酸鋁溶于80ml去離子水-乙醇為6:1的混合溶劑中，在其中加入0.0014g (0.005mmol)硅酸鈉和0.0002g硫酸鉀，磁力攪拌3h后，將所得透明溶液放入反應(yīng)釜并在160°C條件下8h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物分離，將所得沉淀物過(guò)濾并用去離子水和乙醇洗滌多次，最后在70°C下真空3h烘干得到白色粉末，然后將其在700°C靜態(tài)空氣氣氛下焙燒1.5h，制得3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r-Al203粉體，粉體的每個(gè)顆粒的幾何外觀為棒狀，直徑為0.1~0.2um,長(zhǎng)度為I~1.5um。
[0025]對(duì)比試驗(yàn)
[0026]實(shí)施例6:稱取0.75g (2mmol)硝酸鋁溶于80ml去離子水-乙醇為6:1的混合溶劑中，在其中加入0.0091g (0.024mmol)磷酸鈉和0.0Olg硫酸鉀，磁力攪拌2h后，將所得透明溶液放入反應(yīng)釜并在160°C條件下12h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物分離，將所得沉淀物過(guò)濾并用去離子水和乙醇洗滌多次，最后在80°C下真空烘干3h得到白色粉末，然后將其在600°C靜態(tài)空氣氣氛下焙燒2h，得到3D片狀結(jié)構(gòu)r-Al203材料。
[0027]實(shí)施例7:稱取1.33g (2mmol)硫酸鋁溶于80ml去離子水-乙醇為7:1的混合溶劑中，在其中加入0.0017g (0.006mmol)硅酸鈉和0.0002g硫酸鈉，磁力攪拌3h后，將所得透明溶液放入反應(yīng)釜并在160°C條件下14h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物分離，將所得沉淀物過(guò)濾并用去離子水和乙醇洗滌多次，最后在70°C下真空烘干3h得到白色粉末，然后將其在650°C靜態(tài)空氣氣氛下焙燒2h，得到塊狀結(jié)構(gòu)r-Al203材料。
[0028]實(shí)施例8:稱取1.33g (2mmol)硫酸鋁溶于80ml去離子水-乙醇為5:1的混合溶劑中，在其中加入0.003g (0.008mmol)磷酸鈉和0.0006g硫酸鉀，磁力攪拌3h后，將所得透明溶液放入反應(yīng)釜并在150°C條件下10h，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物分離，將所得沉淀物過(guò)濾并用去離子水和乙醇洗滌多次，最后在70°C下真空烘干4h得到白色粉末，然后將其在700°C靜態(tài)空氣氣氛下焙燒lh，得到塊狀結(jié)構(gòu)r-Al203材料。
【權(quán)利要求】
1.一種3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁的制備方法，其制備步驟如下: (1)將可溶性鋁鹽溶于去離子水-乙醇混合溶液中，并在其中相繼加入沉淀劑和添加劑組成混合透明溶液；所用鋁鹽為硝酸鋁或氯化鋁，沉淀劑為無(wú)機(jī)鹽磷酸鈉或硅酸鈉，添加劑為硫酸鉀、硫酸鈉中的一種或兩種組合；所用鋁鹽:沉淀劑摩爾比為100:0.1~0.4 ;水熱反應(yīng)溶劑為水加酒精混合溶劑，比例為5:1~7:1 ;其中添加劑質(zhì)量為沉淀劑質(zhì)量的0.1 ~0.2 倍； (2)磁力攪拌所述混合透明溶液一段時(shí)間，將該溶液轉(zhuǎn)移至水熱釜在一定溫度下進(jìn)行水熱反應(yīng)； (3)將水熱產(chǎn)物經(jīng)自然冷卻、過(guò)濾、洗滌、真空干燥、焙燒后得到所述3D棒狀納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)品
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁的制備方法，其特征在于，步驟2)中磁力攪拌時(shí)間2~4h、水熱反應(yīng)溫度150-160°C、反應(yīng)時(shí)間為8~15h;步驟3)干燥溫度60~80°C，時(shí)間為3~4h ;焙燒為靜態(tài)焙燒，溫度600~700°C，時(shí)間為I~2h，氣氛為空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述方法制備得到的3D棒狀納米結(jié)構(gòu)r相氧化鋁材料，其特征在于，其為粉體材料，粉體的每個(gè)顆粒的幾何外觀為棒狀，直徑為0.1~0.2um,長(zhǎng)度為I~1.5um ;每個(gè)顆粒都是由取向相同并排相互堆積的一維納米棒單元組成的3D納米結(jié)構(gòu),其中每根納米棒單元直徑為10~15nm、長(zhǎng)0.5~1.5um。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103663524SQ201310654409
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】孟范成, 黃偉九, 張曉磊, 劉丞, 任海深 申請(qǐng)人:重慶理工大學(xué)