CN101983923A - 一种多孔纳米氧化铝空心球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种喷雾燃烧制备多孔纳米氧化铝空心球的方法。包括如下步骤：将一定比例的硝酸铝(Al(NO3)3·9H2O)和聚乙二醇(PEG-2000)溶于乙醇作为前驱体溶液，前躯体溶液经雾化后进入燃烧反应室，硝酸铝在氢氧焰中分解生成产品氧化铝纳米空心球，经由滤袋器进行收集。本发明由于仅经过燃烧一步工艺过程即得到产品氧化铝空心球，无需经过煅烧或溶剂溶解等复杂的处理过程，设备简单，可控程度高，易于工业化生产；且产品氧化铝空心球粒径为50～90nm，壳层厚度为10～20nm，表面多孔，孔径2～3nm，球形结构规整。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔纳米氧化铝空心球的制备方法，尤其涉及一种球形规整的纳米氧化铝空心球的制备方法。
背景技术
纳米空心球的特殊性能如密度小、比表面积大、热稳定性高、折射率低和表面渗透性好以及较大的内部空间等而受到越来越多的关注和研究。广泛地应用于药物缓释／控释系统、色谱分离、催化剂与催化剂载体、抗反射表面涂层、微反应器、传感器、光电材料以及太阳能电池和可充电电池等众多领域。目前空心结构无机材料的制备方法主要有模板法、层层自组装和微乳液聚合法。这些方法一般都要经过过滤、清洗、煅烧、溶剂溶解等繁琐的工艺而不利于工业化生产。且用这些方法制备的产品内径都在200nm以上，很难制备出真正粒径<100nm的无机材料纳米空心球。利用模板法制备空心球时，经过煅烧或溶剂溶解等工艺去除模板后壳材料的形貌和性能都会受很大影响，很多无机材料空心球的制备，如ZnO等，在煅烧去除有机模板的过程中，都会出现严重团聚或晶粒生长的现象，难以控制最终产品的结构和形貌。相对于其他空心结构无机材料的制备方法而言，喷雾燃烧法合成空心球粒径较小，空心率高，结构及晶型易于控制，是制备纳米空心球材料的重要方法，也是最有工业化前景的制备方法之一。本专利利用喷雾燃烧反应器，以硝酸铝为原料，制备了颗粒粒径50～90nm、壳层厚度10～20nm的多孔氧化铝空心球，球形规整。在轻质结构材料，催化剂和催化剂载体等方面有着广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种喷雾燃烧制备多孔纳米氧化铝空心球方法，以克服现有技术的上述缺陷。
本发明的构思是这样的：前驱体溶液经雾化后进入高温火焰，乙醇沸点为78℃，硝酸铝在200℃以上开始分解，乙醇蒸发燃烧，液滴浓缩直径不断减小，在液滴内部形成浓度梯度，气液界面硝酸铝浓度高，中心浓度低，当表面浓度达到过饱和浓度，硝酸铝开始析出在表面上沉积同时分解生成氧化铝壳层，内部温度不断升高，乙醇进一步蒸发燃烧，溶质不断向界面扩散形成空心的核，进一步烧结结晶形成产品多孔纳米氧化铝空心球。前驱体溶液中添加表面活性剂辅助喷雾热解：聚乙二醇（例如，PEG-2000）作为非离子表面活性剂可以降低溶液的表面张力与粘度，得到直径较小的喷雾液滴，小的喷雾液滴较大的液滴在高温气流中的稳定性高；同时较长的高分子链上活泼的氧元素O与金属离子Al3+之间强烈的化学键合使得液滴界面湍动较小，减小液滴碰撞与破碎，使得最终产品氧化铝空心球球形规整；聚乙二醇与Al3+在界面有序排列，在高温火焰中燃烧分解后形成壳层的介孔结构。
本发明的一种多孔纳米氧化铝空心球的制备方法，包括如下步骤：
将含有硝酸铝和聚乙二醇的乙醇溶液由液体进料泵定量输送至雾化器，经由扩散气体辅助雾化为微米级小液滴进入高温火焰，在燃烧室内进行蒸发、燃烧、分解反应，并最后生成所述多孔纳米氧化铝空心球；所述反应温度为1500～2300℃；
同时，总气量为2.35～2.6m3/h的空气和氢气点燃后在中心火焰外部形成环形辅助火焰。
以硝酸铝计的乙醇溶液的摩尔浓度为0.35～0.5 mol/L，以聚乙二醇计的乙醇溶液的摩尔浓度为0.1～0.2 mol/L。
所述扩散气体的流量和所述乙醇溶液的进料量分别为200～300 L/h和2～3 ml/min。
所述多孔纳米氧化铝空心球的表面孔径为2～3 nm，颗粒直径为50～90 nm，壳层厚度为10～20 nm。
所述硝酸铝是Al(NO3)3·9H2O。
所述多孔纳米氧化铝空心球颗粒经由安置在所述燃烧室顶部的滤袋器进行收集。
所述聚乙二醇是PEG-2000。
附图说明
图1为产品氧化铝纳米空心球电镜照片，其中，(a)、(b)分别是氧化铝纳米空心球TEM、SEM照片；
图2为产品氧化铝纳米空心球N2吸附特性曲线。
具体实施方式
下面，通过以下实施例对本发明作进一步说明，它将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。
实施例1
硝酸铝的乙醇溶液（摩尔浓度为0.5 mol/L，进料量3 ml/min），PEG-2000摩尔浓度0.01 mol/L（表面张力σ=23.7 mN/m，粘度μL=0.00356 pa·s)，由液体进料泵定量输送雾化器，经由扩散气体（空气，200 L/h）辅助雾化为微米级小液滴进入燃烧反应器，总气量2.38 m3/h的空气和氢气点燃后形成环形辅助火焰，液滴在高温火焰中不断蒸发燃烧，直径不断减小，硝酸铝在表面富集，当浓度达到过饱和浓度时开始析出，分解形成多孔纳米氧化铝空心球（图1），表面孔径2～3 nm，空心球颗粒直径为50～90 nm（平均直径为80 nm），壳层厚度10～15 nm；比表面积为 38.401 m2/g，总孔容为 0.142 cm3/g（图2中圆形标记曲线）。
实施例2
硝酸铝的乙醇溶液（摩尔浓度为0.35 mol/L，进料量2 ml/min），PEG-2000摩尔浓度0.015 mol/L（σ=23.4 mN/m，μL=0.00264 pa·s)，由液体进料泵定量输送至雾化器，经由扩散气体（空气，300 L/h）辅助雾化为微米级小液滴进入燃烧反应器，总气量为2.38 m3/h的空气和氢气点燃后形成辅助火焰，液滴在高温火焰中不断蒸发燃烧，直径不断减小，硝酸铝在表面富集，浓度达到过饱和浓度开始析出，分解形成多孔纳米氧化铝空心球，表面孔径2～3 nm，空心球颗粒直径为50～90 nm（平均直径为60 nm），壳层厚度10～15 nm；比表面积为 31.229 m2/g，总孔容为0.126 cm3/g（图2中方形标记曲线）。
实施例3
硝酸铝的乙醇溶液（摩尔浓度为0.5 mol/L，进料量3 ml/min），PEG-2000摩尔浓度0.01 mol/L（σ=23.7 mN/m，μL=0.00356 pa·s)，由液体进料泵定量输送雾化器，经由扩散气体（空气，200 L/h）辅助雾化为微米级小液滴进入燃烧反应器，总气量2.57 m3/h的空气和氢气点燃后形成环形辅助火焰，液滴在高温火焰中不断蒸发燃烧，直径不断减小，硝酸铝在表面富集，当浓度达到过饱和浓度时开始析出，分解形成多孔纳米氧化铝空心球，表面孔径2～3 nm，空心球颗粒直径为50～90 nm（平均直径为70 nm），壳层厚度15～20 nm；比表面积为21.427 m2/g，总孔容为0.093 cm3/g（图2中菱形标记曲线）。
Claims (7)
1.一种多孔纳米氧化铝空心球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将含有硝酸铝和聚乙二醇的乙醇溶液由液体进料泵定量输送至雾化器，经由扩散气体辅助雾化为微米级小液滴进入高温火焰，在燃烧室内进行蒸发、燃烧、分解反应，并最后生成所述多孔纳米氧化铝空心球；所述反应温度为1500～2300℃；
同时，总气量为2.35～2.6 m3/h的空气和氢气点燃后在中心火焰外部形成环形辅助火焰。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以所述硝酸铝计的乙醇溶液的摩尔浓度为0.35～0.5 mol/L，以所述聚乙二醇计的乙醇溶液的摩尔浓度为0.1～0.2 mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述扩散气体的流量和所述乙醇溶液的进料量分别为200～300 L/h和2～3 ml/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多孔纳米氧化铝空心球的表面孔径为2～3 nm，颗粒直径为50～90 nm，壳层厚度为10～20 nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硝酸铝是Al(NO3)3·9H2O。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多孔纳米氧化铝空心球颗粒经由安置在所述燃烧室顶部的滤袋器进行收集。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇是PEG-2000。
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