CN101993102A - 一种无机合成有序介孔氧化铝的方法 - Google Patents

一种无机合成有序介孔氧化铝的方法 Download PDF

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本发明属无机纳米结构材料领域,具体涉及一种无机合成有序介孔氧化铝的方法。本发明的特点在于,通过无机物铝酸钠和氯化铝进行酸碱配对制备出比表面积大、孔径分布窄、孔道有序、水热稳定性高的介孔氧化铝;合成过程所用的模板剂甲基纤维素具有温敏性有利于回收利用。该方法具有原料成本低廉、模板剂可回收、工艺简单易控等特点,易于实现工业化生产,得到的有序介孔氧化铝在催化反应、吸附分离等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种无机合成有序介孔氧化铝的方法
技术领域
本发明属无机纳米结构材料领域,具体涉及一种无机合成有序介孔氧化铝的方法。
背景技术
介孔材料是二十世纪九十年代初迅速兴起的新型纳米结构材料,由于其体现出许多优良性质,一出现就受到了世界范围内化学、物理以及材料界的广泛重视。
多孔材料在催化、吸附、分离等领域得到了广泛的应用。然而,在催化领域,传统的微孔催化剂由于较小的孔径(<2.0nm)限制了其在有机大分子参与或生成反应中的应用,而介孔分子筛的出现则可能有效的满足这方面的需求,介孔分子筛比表面积大、孔径大且分布窄、孔径在介孔范围内可调、以及在很广的范围内(从无机杂原子到有机官能团)可调节的活性组分,使其成为一种具有巨大应用潜力的催化剂或催化剂载体,研究和开发介孔材料已成为当代催化领域的研究热点,在催化领域的很多方面如酸碱催化、氧化还原催化和聚合反应催化等都进行了广泛的研究;另外,同传统的微孔吸附剂相比,介孔材料对氢气、氮气和挥发性烃等有较高的吸附能力,还被用来回收各种挥发性有机污染物,在室温下介孔材料即可大量的吸附挥发性污染物,达到饱和状态后在热空气中进行活化即得到浓缩3-10倍的挥发性有机物。借助介孔材料良好的吸附和催化性能,人们开始它们应用于吸附及催化有害气体转化的绿色工艺研发。CuO、Fe2O3、Co2O3、CeO2过渡金属氧化物负载的非硅介孔材料如介孔氧化铝,具有孔径大和良好的表面酸性、吸附性能、水热稳定性等突出的特点,具备较传统氧化铝和氧化硅载体更优异的储养和供养能力,在负载贵金属后,可望在汽车尾气处理方面获得重要应用。
目前国内外介孔Al2O3的制备技术还处在于研究阶段,其中大多数采用有机体系合成有序介孔Al2O3,原料成本较高、整个制备流程要在无水环境中进行、操作复杂。而报道的无机体系合成有序介孔Al2O3的方法中普遍采用了酸法(在合成体系中引入碱如NaOH、KOH、NH3·H2O或Na2CO3等作为沉淀剂)或者碱法(引入酸如HNO3,HCI,H2SO4或NH4HCO3等作为沉淀剂),存在酸碱污染问题。另外,介孔材料合成过程中采用的阴离子模板剂、阳离子模板剂和非离子模板剂等模板剂很难回收利用,模板剂的脱除主要有高温煅烧、微波脱除法和溶剂萃取法,以及使用过氧化氢、臭氧、高锰酸钾和硝酸的混合溶液等通过氧化法除去一些介孔分子筛如MSU-X、MCM-41、SBA-15和MCM-41中的模板剂。
发明内容
本发明旨在提出一种合成有序介孔氧化铝的新工艺:以氧化铝生产工艺中的铝酸钠溶液和氯化铝等无机铝盐为原料;不引入传统酸或碱作为PH调节剂或沉淀剂而是通过采用酸碱配对法利用反应物中的Al3+和AlO2 -配对合成,以无毒无害的温敏型聚合物如甲基纤维素为模板剂,该模板剂在介孔材料合成后易于脱除且可回收利用,工艺简单、操作易控,易于实现工业化生产,为介孔氧化铝的合成提供一条具工业应用前景的新工艺。
本发明的技术方案如下:
A.合成反应:在恒定的温度和持续搅拌状态下,向铝酸钠溶液中缓慢加入一定量的氯化铝溶液和模板剂,加料完毕后继续保温搅拌反应1-10小时;
B.陈化:将步骤A所得到的前驱体在50-80℃陈化1-48小时;
C.过滤、洗涤:将步骤B所得到的混合物进行真空抽滤和洗涤;
D.干燥:将步骤C所得到的滤饼在20-200℃下干燥数小时;
E.煅烧:将步骤D所得到的前驱体粉末置于马弗炉中,以60-300℃/小时的升温速率升温至500-1000℃后保持2-4小时,制得介孔Al2O3
所述步骤A中描述的恒定温度为20-95℃,优选温度范围为60-80℃。
所述步骤A中描述的铝酸钠溶液为廉价易得的Al2O3生产过程中的铝酸钠溶液,浓度为0.2-5mol/L,优选浓度为0.5-2mol/L。
所述步骤A中描述的氯化铝溶液浓度为0.2-5mol/L,优选浓度为0.5-2mol/L。
所述步骤A中铝酸钠与氯化铝的分子比控制在1∶1-4∶1,优选为2∶1-3∶1。
所述步骤A中不引入酸或碱作为PH调节剂或沉淀剂,而通过铝酸钠与氯化铝进行酸碱配对得到前驱体。
所述步骤A中描述的模板剂为温敏型聚合物甲基纤维素(浓度为10-200g/L,优选浓度为40-100g/L),它具有可控速凝性能,在热水中溶胀形成纳米多孔网状结构,而在液固分离和洗涤过程中随着温度的降低,重新溶解并返回溶液中得到回收。
所述步骤C中洗涤过程用去离子水洗涤。
本发明以一种无机方法合成有序介孔氧化铝的优点在于:较目前国内外已报道的合成有序介孔氧化铝的方法相比,本发明以无毒无害的易脱除且可回收利用的温敏型聚合物如甲基纤维素为模板剂,以氧化铝生产工艺中的铝酸钠溶液和氯化铝等无机铝盐为铝源降低原料成本、通过反应物酸性Al3+和碱性AlO2 -酸碱配对法合成比表面积大、孔径分布窄、孔道呈蠕虫状的有序介孔氧化铝,具有成本低、工艺简单、操作易控等特点,易于实现工业化生产,得到的有序介孔氧化铝在催化反应、吸附分离等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得样品的广角XRD图
图2为本发明实施例1所制得样品的小角XRD图
图3为本发明实施例1所制得样品的TEM图
图4本发明实施例1所制得样品的N2吸附-脱附等温线和孔分布图
图5本发明实施例5所制得样品的N2吸附-脱附等温线和孔分布图
图6本发明实施例5所制得样品的水热稳定性测试实验后得到的N2吸附-脱附等温线和孔分布图
具体实施方式
下面通过实例进一步描述本发明的特征,但本发明并不局限于下述实例.
实施例1
A.合成反应:在60℃、500rpm持续搅拌下,向200ml的1mol/L的NaAlO2溶液中,以0.6ml/min的速度缓慢加入100ml的1mol/L的AlCl3溶液,即控制两种铝盐的分子比为2∶1,当PH=11时加入12.0g模板剂甲基纤维素粉末(浓度为40g/L),加料完毕后继续保温搅拌反应3小时;
B.陈化:将步骤A所得到的前驱体在60℃陈化15小时;
C.过滤、洗涤:将步骤B所得到的混合物进行真空抽滤后,用去离子水洗涤;
D.干燥:将步骤C所得到的滤饼在60℃下干燥12小时;
E.煅烧:将步骤D所得到的前驱体粉末置于马弗炉中,以100℃/小时的升温速度至650℃后保持3小时,制得介孔Al2O3
将步骤C中经真空抽滤得到的滤液进行稀释后,通过二苯胺比色测定滤液中的甲基纤维素浓度为14.37g/L(占总量的35.9%),可以按照国际专利N1286851C“生产甲基纤维素醚的方法”进行回收后再利用。
由本产品的广角XRD图(图1)可知,本发明制备的介孔氧化铝均为γ-Al2O3;本产品的小角XRD图(图2)和TEM图(图3)表明,该条件下制得产品为有序介孔氧化铝;本产品的N2吸附-脱附等温线和孔分布图(图4)表明,吸附曲线为VI类曲线,H环较大,介孔特征明显,孔径分布窄,介孔有序性较强;产品的其它特性:比表面积为254.0m2/g、孔容为0.39cm3/g、平均孔径为6.40nm。
实施例2
A.合成反应:在50℃、800rpm持续搅拌下,向150ml的3mol/L的NaAlO2溶液中,以1ml/min的速度缓慢加入150ml的3mol/L的AlCl3溶液,即控制两种铝盐的分子比为1∶1,当PH=11时加入12.0g模板剂甲基纤维素粉末(浓度为40g/L),加料完毕后继续保温搅拌反应10小时;
B.陈化:将步骤A所得到的前驱体在50℃陈化15小时;
将步骤C中经真空抽滤得到的滤液进行稀释后,通过二苯胺比色测定滤液中的甲基纤维素浓度为12.79g/L(占总量的32.0%)。
C.过滤、洗涤:将步骤B所得到的混合物进行真空抽滤和洗涤;
D.干燥:将步骤C所得到的滤饼在20℃下干燥96小时;
E.煅烧:将步骤D所得到的前驱体粉末置于马弗炉中,以60℃/小时的升温速率升温至1000℃后保持2小时,制得介孔Al2O3
制得的有序介孔氧化铝产品的比表面积为207.9m2/g、孔容为0.21cm3/g、孔径为3.74nm,产品的N2吸附-脱附等温线和孔分布比实施例1梢差。
实施例3
操作过程除以下步骤不同外,其余同实施例1。
A.合成反应:在80℃、400rpm持续搅拌下,向150ml的2mol/L的NaAlO2溶液中,以2ml/min的速度缓慢加入50ml的2mol/L的AlCl3溶液,即控制两种铝盐的分子比为3∶1,当PH=11时加入20.0g模板剂甲基纤维素粉末(浓度为100g/L),加料完毕后继续保温搅拌反应2小时;
B.陈化:将步骤A所得到的前驱体在50℃陈化8小时;
将步骤C中经真空抽滤得到的滤液进行稀释后,通过二苯胺比色测定滤液中的甲基纤维素浓度为35.7g/L(占总量的35.7%)。
制得的有序介孔氧化铝产品的比表面积为290.6m2/g、孔容为0.27cm3/g、孔径为3.12nm,产品的N2吸附-脱附等温线和孔分布与实施例1类似。
实施例4
A.合成反应:在85℃、200rpm持续搅拌下,向150ml的0.5mol/L的NaAlO2溶液中,以0.6ml/min的速度缓慢加入60ml的0.5mol/L的AlCl3溶液,即控制两种铝盐的分子比为2.5∶1,当PH=11时加入4.2g模板剂甲基纤维素粉末(浓度为20g/L),加料完毕后继续保温搅拌反应1小时;
B.陈化:将步骤A所得到的前驱体在80℃陈化1小时;
C.过滤、洗涤:将步骤B所得到的混合物进行真空抽滤和洗涤;
D.干燥:将步骤C所得到的滤饼在150℃下干燥6小时;
E.煅烧:将步骤D所得到的前驱体粉末置于马弗炉中,以300℃/小时的升温速率升温至500℃后保持4小时,制得介孔Al2O3
此条件下制得的有序介孔氧化铝产品的N2吸附-脱附等温线和孔分布比实施例1稍差,产品的其它特性:212.1m2/g、孔容为0.29cm3/g、孔径为3.63nm。
实施例5
操作过程除以下步骤不同外,其余同实施例1。
A.合成反应:在60℃、600rpm持续搅拌下,向150ml的1mol/L的NaAlO2溶液中,以0.6ml/min的速度缓慢加入60ml的1mol/L的AlCl3溶液,即控制两种铝盐的分子比为2.5∶1,当PH=11时加入12.6g模板剂甲基纤维素粉末(浓度为60g/L),加料完毕后继续搅拌反应3小时;
B.陈化:将步骤A所得到的前驱体在60℃陈化12小时;
制得的有序介孔氧化铝产品的比表面积为比表面积为315.9m2/g、孔容为0.29cm3/g、孔径为3.95nm。产品的N2吸附-脱附等温线和孔分布如图5所示.介孔特征明显,孔径分布较窄。
对本实施例的产品进行了水热稳定性测试,测试条件为:将焙烧过的样品置于100℃的热水中冷凝回流的状态下持续搅拌l0h(液固比为300∶1),然后按照上述相同的方法进行过滤、烘干、焙烧后待测试。
水热稳定性测试实验后的介孔氧化铝产品各项特性为:比表面积为256.9m2/g、孔容为0.38cm3/g、孔径为6.49nm,产品的N2吸附-脱附等温线和孔分布图(图6),对比水热稳定性测试前样品的N2吸附-脱附等温线和孔分布图(图5)表明:图6中的吸附曲线仍为典型的VI类曲线,但H环变大,介孔特征更明显,滞后环移动到较高的相对压力范围,产品中的介孔孔径变大,孔分布图表明产品孔径分布变窄,介孔有序性强,产品的水热稳定性好。

Claims (8)

1.一种无机合成有序介孔氧化铝的方法,其特征在于:
A.合成反应:在恒定的温度和持续搅拌状态下,向铝酸钠溶液中缓慢加入一定量的氯化铝溶液和模板剂,加料完毕后继续保温搅拌反应1-10小时;
B.陈化:将步骤A所得到的前驱体在50-80℃进行陈化;
C.过滤、洗涤:将步骤B所得到的混合物进行真空抽滤和洗涤;
D.干燥:将步骤C所得到的滤饼在20-200℃下干燥;
E.煅烧:将步骤D所得到的前驱体粉末置于马弗炉中,在500-1000℃焙烧制得介孔Al2O3
2.根据权利要求1所述的无机合成有序介孔氧化铝的方法,其特征在于:所述步骤A中描述的恒定温度为20-95℃,优选温度范围为60-80℃。
3.根据权利要求1所述的无机合成有序介孔氧化铝的方法,其特征在于:所述步骤A中描述的铝酸钠溶液浓度为0.2-5mol/L,优选浓度为0.5-2mol/L。
4.根据权利要求1所述的无机合成有序介孔氧化铝的方法,其特征在于:所述步骤A中描述的氯化铝溶液浓度为0.2-5mol/L,优选浓度为0.5-2mol/L。
5.根据权利要求1所述的无机合成有序介孔氧化铝的方法,其特征在于:所述步骤A中铝酸钠与氯化铝的分子比控制在1∶1-4∶1,优选为2∶1-3∶1。
6.根据权利要求1所述的无机合成有序介孔氧化铝的方法,其特征在于:所述步骤A中不引入酸或碱作为PH值调节剂和沉淀剂,而通过铝酸钠与氯化铝进行酸碱配对得到前驱体。
7.根据权利要求1所述的无机合成有序介孔氧化铝的方法,其特征在于:所述步骤A中描述的模板剂为能被回收利用的温敏型聚合物甲基纤维素(浓度为10-200g/L,优选浓度为40-100g/L)。
8.根据权利要求1所述的无机合成有序介孔氧化铝的方法,其特征在于:所述步骤C中洗涤过程用去离子水洗涤。
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