CN102367210A - 一种Na-β-Al2O3粉体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Na-β-Al2O3粉体的制备方法，属于无机非金属材料粉体制备领域。其特征在于：采用金属高纯铝与氢氧化钠、氢氧化锂的水溶液，在一定温度下进行反应，制备得到氢氧化铝沉淀，然后将反应固液混合物进行减压蒸发除去水分得到氢氧化铝、氢氧化钠、氢氧化锂的粉体混合物，高温煅烧此混合物得到Na-β-Al2O3粉体。本发明具有工艺条件要求低、环境友好、成本低廉、产品重复性好的优点，特别适合大规模生产。

Description

一种Na-β-Al2O3粉体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种Na-β-Al2O3粉体的制备方法，属于无机非金属材料粉体制备领域。
技术背景
Na-β-Al2O3粉体由于具有较高的Na离子导电率，可以作为一种固体电解质应用于钠硫电池及多种电化学装置中，是一种新能源材料。Na-β-Al2O3粉体性能的好坏直接影响着钠硫电池核心部件固体电解质陶瓷管的质量。制备Na-β-Al2O3粉体的传统方法是固相反应法，即以氧化铝或氢氧化铝与钠化合物混合、烧结制备，该方法工艺简单、设备投资小，但物料混合不均匀、反应温度高、时间长、合成产品纯度低、粒径大且分布不均匀。为了避免固相法的缺点，人们开发了金属醇盐溶胶-凝胶法、无机盐溶胶-凝胶法。金属醇盐溶胶-凝胶法虽然可以使反应物组分在溶液中以分子级水平均匀混合，增大组分接触反应面积，加速反应进程，降低了焙烧温度，但金属醇盐价格较贵，且反应介质需要有机溶剂，导致成本较高以及规模制备时的安全隐患问题。采用无机金属盐溶胶-凝胶法，如中国发明专利200910264429.0采用铝、钠的硝酸盐为原料，虽然降低了成本，但一般需要加入有机添加剂，并且在干燥及焙烧过程中会释放出有害气体如NO2，NO等，造成环境问题，同时溶胶-凝胶法制备周期长、过程较为繁琐。为了避免现有制备方法的诸多弊端，本发明以金属铝、氢氧化钠为原料、水为介质可以制得高质量的Na-β-Al2O3粉体。
发明内容
本发明的目的是提供一种Na-β-Al2O3粉体制备方法，其特征在于采用金属铝与氢氧化钠、氢氧化锂水溶液反应制得氢氧化铝沉淀，反应液经减压浓缩、干燥、煅烧、粉碎后得到Na-β-Al2O3粉体。
本发明制备氢氧化铝的原理是：
Figure BSA00000332469100011
本发明的具体制备方法如下：
(1)将金属铝加入到氢氧化钠和氢氧化锂的混合水溶液中，金属铝质量与混合水溶液体积的比例为5克/100毫升-12克/100毫升，控制温度在60-80℃，搅拌反应5-15小时，得到固液混合物；其中氢氧化钠的浓度为0.35-0.60mol/L，氢氧化锂的浓度为0.05-0.12mol/L，使其对应生成的Al2O3、Na2O与Li2O的质量比例为Al2O3∶Na2O∶Li2O＝(89.0-91.5)∶(8.0-10.0)∶(0.3-0.75)，从而确保其产物是β相；
(2)所得固液混合物在80-100℃下、压力-0.1MPa下匀速搅拌去除水分得到氢氧化铝、氢氧化钠和氢氧化锂的粉体混合物；
(3)将步骤(2)所得粉体混合物在1100-1200℃煅烧2-10小时后，得到氧化铝粉体；
(4)将步骤(3)所得氧化铝粉体置于气流磨中粉碎、过筛得到Na-β-Al2O3粉体。
为了保证所获Na-β-Al2O3产品的晶相纯度需要控制金属铝、氢氧化钠、氢氧化锂的比例使其对应的质量比Al2O3∶Na2O∶Li2O＝(89.0-91.5)∶(8.0-10.0)∶(0.3-0.75)。
上述金属铝根据Na-β-Al2O3产品纯度的要求选择，为铝片、铝箔、铝粉中的一种或多种混合物，其纯度范围为99％-99.9999％。
为了保证所获产品的纯度，所采用的氢氧化钠、氢氧化锂的纯度级别为分析纯。
为了使反应平稳进行，氢氧化钠水溶液的浓度优选范围为0.35-0.50mol/L。氢氧化锂的浓度优选范围为0.055-0.1mol/L，金属铝质量与混合水溶液体积的比例优选为6克/100毫升-10克/100毫升。
减压干燥后粉体混合物在1100-1200℃煅烧的优选时间范围为4-6小时，就可以得到氧化铝粉体，进而可以将氧化铝粉体气流磨中粉碎、过筛，得到不同粒径的Na-β-Al2O3产物。
以Al(OH)3、NaOH、LiOH为原料固相球磨混合10小时，1250℃焙烧12小时后，所得产品作为比较例，具体为：称取41.87克Al(OH)3、3.09克NaOH、0.63克LiOH·H2O，对应的Al2O3∶Na2O∶Li2O＝91.26∶8∶0.74，进行球磨混合10小时，然后在1250℃焙烧12小时后所得Na-β-Al2O3粉体，比较例产品的X射线衍射谱图见图1，比较例中产品的晶相纯度大约为80％，晶相纯度不高；而本发明制备的Na-β-Al2O3粉体的X射线衍射谱图见图2，可知本发明所得产品的晶相纯度高于98％。
本发明中反应液经减压浓缩、干燥、煅烧、粉碎后得到Na-β-Al2O3粉体，与以往的制备方法相比，不需要以价格较高的醇盐为原料，降低了成本；在反应中也不需要加入有机溶剂，不会释放有害气体，避免了环境污染。
附图说明
图1为比较例的X射线衍射谱图；
图2本发明产品的X射线衍射谱图。
具体实施例
实施例1
1.称取6.19克NaOH，1.26克LiOH·H2O溶于300毫升去离子水中，得到氢氧化钠的浓度为0.5mol/L，氢氧化锂的浓度为0.1mol/L的混合溶液，将混合溶液搅拌加热到80℃，在3小时内分5次加入29克纯度为99％的金属铝，加完后，再继续反应2小时，得到固液混合物，其中，金属铝质量与混合水溶液体积的比例为9.67克/100毫升，对应产物中Al2O3、Na2O与Li2O的质量比例为Al2O3∶Na2O∶Li2O＝91.26∶8∶0.74；
2.然后在80℃，-0.1Mpa的条件下减压蒸发去除固液混合物中的水，得到白色的Al(OH)3、NaOH、LiOH粉体混合物；
3.将该粉体混合物在1200℃煅烧6小时后，得到氧化铝粉体；
4.将所得氧化铝粉体置于气流磨中粉碎、过筛得到最终的Na-β-Al2O3粉体，其晶相纯度高于98％。
实施例2
1.称取8.00克NaOH，1.26克LiOH·H2O溶于550毫升去离子水中，得到氢氧化钠的浓度为0.35mol/L，氢氧化锂的浓度为0.055mol/L的混合溶液，将混合溶液搅拌加热到70℃，在6小时内分5次加入28克纯度为99.9999％的金属铝，加完后，再继续反应2小时，得到固液混合物，其中金属铝质量与混合水溶液体积的比例为5克/100毫升，对应产物中Al2O3、Na2O与Li2O的质量比例为Al2O3∶Na2O∶Li2O＝89.26∶10∶0.74；
2.然后在90℃，-0.1Mpa的条件下减压蒸发去除固液混合物中的水，得到白色的Al(OH)3、NaOH、LiOH粉体混合物；
3.将该粉体混合物在1100℃煅烧10小时后，得到氧化铝粉体；
4.将所得氧化铝粉体置于气流磨中粉碎、过筛得到最终的Na-β-Al2O3粉体，其晶相纯度高于98％。
实施例3
1.称取6.96克NaOH，0.84克LiOH·H2O溶于400毫升去离子水中，得到氢氧化钠的浓度为0.43mol/L，氢氧化锂的浓度为0.05mol/L的混合溶液，将混合溶液搅拌加热到60℃，在12小时内分5次加入28.7克纯度为99.99％的金属铝，加完后，再继续反应3小时，得到固液混合物，其中金属铝质量与混合水溶液体积的比例为7.2克∶100毫升，对应产物中Al2O3、Na2O与Li2O的质量比例为Al2O3∶Na2O∶Li2O＝90.5∶9∶0.5；
2.然后在95℃，-0.1Mpa的条件下减压蒸发去除固液混合物中的水，得到白色的Al(OH)3、NaOH、LiOH粉体混合物；
3.将该粉体混合物在1200℃煅烧4小时后，得到氧化铝粉体；
4.将所得氧化铝粉体置于气流磨中粉碎、过筛得到最终的Na-β-Al2O3粉体，其晶相纯度高于98％。
实施例4
1.称取6.19克NaOH，1.26克LiOH·H2O溶于250毫升去离子水中，得到氢氧化钠的浓度为0.6mol/L，氢氧化锂的浓度为0.12mol/L的混合溶液，将混合溶液搅拌加热到80℃，在8小时内分5次加入29克纯度为99.99％的金属铝，加完后，再继续反应2小时，得到固液混合物，其中金属铝质量与混合水溶液体积的比例为12克∶100毫升，对应产物中Al2O3、Na2O与Li2O的质量比例为Al2O3∶Na2O∶Li2O＝90.5∶9∶0.5；
2.然后在100℃，-0.1Mpa的条件下减压蒸发去除固液混合物中的水，得到白色的Al(OH)3、NaOH、LiOH粉体混合物；
3.将该粉体混合物在1200℃煅烧2小时后，得到氧化铝粉体；
4.将所得氧化铝粉体置于气流磨中粉碎、过筛得到最终的Na-β-Al2O3粉体，其晶相纯度高于98％。

Claims (6)

1.一种Na-β-Al2O3粉体的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)将金属铝加入到氢氧化钠和氢氧化锂的混合水溶液中，控制温度在60-80℃，搅拌反应5-15小时，得到固液混合物；
其中，氢氧化钠的浓度为0.35-0.60mol/L，氢氧化锂的浓度为0.05-0.12mol/L，金属铝质量与混合水溶液体积的比例为5克/100毫升-12克/100毫升，对应产物中Al2O3、Na2O与Li2O的质量比例为Al2O3∶Na2O∶Li2O＝(89.0-91.5)∶(8.0-10.0)∶(0.3-0.75)；
(2)所得固液混合物在80-100℃下、压力-0.1MPa下匀速搅拌去除水分得到氢氧化铝、氢氧化钠、氢氧化锂的粉体混合物。
(3)将步骤(2)所得粉体混合物在1100-1200℃煅烧2-10小时后，得到氧化铝粉体；
(4)将步骤(3)所得氧化铝粉体置于气流磨中粉碎、过筛得到Na-β-Al2O3粉体。
2.根据权利要求1所述的Na-β-Al2O3粉体制备方法，其特征在于所使用的金属铝的纯度均99％-99.9999％，为金属铝片、铝箔、铝粉或其混合物。
3.根据权利要求1所述的Na-β-Al2O3粉体制备方法，其特征在于所述混合水溶液中氢氧化钠的浓度为0.35-0.50mol/L。
4.根据权利要求1所述的Na-β-Al2O3粉体制备方法，其特征在于所述混合水溶液中氢氧化锂的浓度为0.055-0.1mol/L。
5.根据权利要求1所述的Na-β-Al2O3粉体制备方法，其特征在于金属铝质量与混合水溶液体积的比例为6克/100毫升-10克/100毫升。
6.根据权利要求1所述的Na-β-Al2O3粉体制备方法，其特征在于步骤(3)中所述煅烧为4-6小时。
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