CN103449491A - 氧化铝纳米棒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化铝纳米棒及其制备方法。该氧化铝纳米棒制备方法包括将乳化剂、煤油、铝酸钠水溶液混合后进行乳化处理，配制混合乳液、制备碱式碳酸铝铵沉淀和将碱式碳酸铝铵沉淀热处理制备氧化铝纳米棒的步骤。上述氧化铝纳米棒制备方法采用铝酸钠水溶液为铝源，碳酸氢铵为沉淀剂，在W/O/W乳液体系中成功制备出了氧化铝纳米棒，通过乳液液滴来控制形貌、尺寸和分散性，或利用水热提高产品的结晶度和纯度。在制备该氧化铝纳米棒的过程中，能灵活通过反应物浓度的调整，实现对氧化铝纳米棒的尺寸控制。通过该方法制备的氧化铝纳米棒尺寸稳定，纯度高，分散性好，其制备方法工艺简单，条件易控，对设备要求不高，适合于科学实验和批量生产。

Description

氧化铝纳米棒及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体的是涉及一种氧化铝纳米棒及其制备方法。
背景技术
一维纳米材料如纳米棒、纳米线与纳米管，具备特殊物理性质与微小尺寸的优点。一维纳米结构是三维空间中有两维处于纳米尺度范围的纳米结构。
氧化铝(A12O3)是一种重要的陶瓷材料，具有低密度、高强度与高硬度特性。氧化铝纳米管与纳米线因具备高电介质常数、低导磁性与高热传导性而引起高度重视。
氧化铝纳米棒的制备方法通常用模板法与V-L-S法。模板法以纳米碳管为模板，可生成氧化铝多晶纳米管；V-L-S法需要融化金属作为沉降气态氧化铝的转换媒介。
其中，制备晶体氧化铝一维纳米结构最常见的方法是气相法。单晶氧化铝纤维首先在美国劳伦斯.伯克利实验室被制备出来，通过V-L-S法在单晶蓝宝石基片上生长出单晶氧化铝纳米纤维。在这个制备过程中，首先，将Pt熔化形成液滴沉积在蓝宝石基片上，Pt液滴从气相中吸收氧化铝，然后长出氧化铝纤维。
目前这些方法工艺条件非常苛刻，如高温、真空或保护性气氛、催化剂条件下进行，易造成纳米线或纳米管中的杂质，而且这些方法需要昂贵的设备与精密的操作，因此限制了氧化铝一维纳米结构的制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种工艺简单，条件易控的氧化铝纳米棒制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种尺寸稳定、纯度高的氧化铝纳米棒。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种氧化铝纳米棒制备方法，包括如下步骤：
将乳化剂、煤油、铝酸钠水溶液混合后进行乳化处理，配制混合乳液；其中，所述乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：30～40mL：2.0～2.4g；
将所述混合乳液中加入浓度为0.92～0.96mol/L的碳酸氢铵水溶液中在15～25℃下进行沉淀反应或者将所述混合乳液中加入浓度为0.92～1.96mol/L的碳酸氢铵水溶液混合后置于100～120℃℃下进行水热反应，待反应完毕后进行固液分析，洗涤、干燥沉淀，得到碱式碳酸铝铵沉淀；
将所述碱式碳酸铝铵沉淀在550～650℃下进行热处理，得到所述氧化铝纳米棒。
以及，一种氧化铝纳米棒，所述氧化铝纳米棒由上述氧化铝纳米棒制备方法而成。
上述氧化铝纳米棒制备方法采用铝酸钠水溶液为铝源，碳酸氢铵为沉淀剂，在W/O/W乳液体系中成功制备出了氧化铝纳米棒，通过乳液液滴来控制形貌、尺寸和分散性，或利用水热提高产品的结晶度和纯度。在制备该氧化铝纳米棒的过程中，能灵活通过反应物浓度的调整，实现对氧化铝纳米棒的尺寸控制。通过该方法制备的氧化铝纳米棒尺寸稳定，纯度高，分散性好，其制备方法工艺简单，条件易控，对设备要求不高，适合于科学实验和批量生产。
附图说明
图1为本发明实施例氧化铝纳米棒的制备方法流程图；
图2为本发明实施例1制备氧化铝纳米棒的扫描电子显微镜图；
图3为本发明实施例2制备氧化铝纳米棒的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种工艺简单，条件易控的氧化铝纳米棒制备方法。该氧化铝纳米棒的制备方法工艺流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤S01.配制乳化剂、煤油、铝酸钠水溶液的混合乳液：将乳化剂、煤油、铝酸钠水溶液混合后进行乳化处理，配制混合乳液；其中，所述乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：30～40mL：2.0～2.4g；
步骤S02.制备碱式碳酸铝铵沉淀：将步骤S01制备的混合乳液中加入浓度为0.92～0.96mol/L的碳酸氢铵水溶液中在15～25℃下进行沉淀反应或者将该混合乳液中加入浓度为0.92～0.96mol/L的碳酸氢铵水溶液混合后置于100～120℃下进行水热反应，待反应完毕后进行固液分析，洗涤、干燥沉淀，得到碱式碳酸铝铵沉淀；；
步骤S03.将碱式碳酸铝铵沉淀热处理：将步骤S02制备的碱式碳酸铝铵沉淀在550～650℃下进行热处理，得到所述氧化铝纳米棒。
具体地，上述步骤S01中，乳化剂、煤油、铝酸钠三者比值对步骤S02中的碱式碳酸铝铵沉淀的形态有重要影响，从而最终对氧化铝纳米棒的形态有重要影响。为了获得尺寸稳定、结晶度高的氧化铝纳米棒，在优选实施例中，乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：30～40mL：2.0～2.4g。在进一步优选实施例中，乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：36mL：2.2g。
在优选实施例中，在步骤S01中的乳化处理是将乳化剂、煤油、铝酸钠水溶液混合后在9000～11000rpm/min下乳化处理1min以上。在进一步优选实施例中，该乳化处理的转速为10000rpm/min。该乳化处理所采用的乳化设备可以是常规的乳化机。该优选的乳化处理，能使得乳化剂、煤油、铝酸钠三者充分乳化，有利于氧化铝纳米棒的生成。
上述各实施例中，该乳化剂优选为Span 80，煤油为航天煤油。在优选的乳化剂、煤油能有利于氧化铝纳米棒的生成，提高氧化铝纳米棒尺寸稳定性、结晶度。
具体地，上述步骤S02中，当在室温（15～25℃）或者水热条件下，将步骤S01配制的混合乳液加入碳酸氢铵水溶液后，反应物之间发生沉淀反应，生成碱式碳酸铝铵沉淀，具体地，反应物之间的化学反应式如下：
NaAl(OH)4+NH4HCO3→NH4Al(OH)2CO3↓+CO2+H2O+NaOH
发明人在研究中发现，沉淀反应的环境对最终生成的氧化铝纳米棒产物形貌、特别是尺寸有影响，如在相同的反应时间内，将该沉淀反应在室温和水热条件下分别进行时，比较最终生成的氧化铝纳米棒产物形貌，得知水热条件下制备的氧化铝纳米棒的尺寸明显优于室温条件，具体参见图2、3。
发明人在研究中还发现，改变该步骤S02中的碳酸氢铵的浓度，经过该沉淀反应后，同样对氧化铝纳米棒产物的形貌有重要的影响。
在优选实施例中，其它反应条件不变，如乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：36mL：2.2g保持不变，仅改变沉淀剂碳酸氢铵的浓度时，导致氧化铝纳米棒这一产物形貌也发生了很大的变化。为了获得形貌为纳米棒状的氧化铝，该碳酸氢铵水溶液的浓度应为0.9～1.0mol/L，优选为0.94mol/L。
发明人在研究中还发现，控制该步骤S02中沉淀反应的时间，对氧化铝纳米棒的紧密度有影响。在优选实施例中，其它条件不变，如乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：36mL：2.2g，碳酸氢铵水溶液的浓度为0.94mol/L等条件保持不变，仅仅改变沉淀反应的时间后发现，随着沉淀反应时间的延长，最终获得的氧化铝纳米棒密集提高。
具体地，上述步骤S03中的热处理过程中，氧化铝纳米棒的前驱体也即是碱式碳酸铝铵沉淀在该热处理的过程中发生分解反应，生成氧化铝，这样氧化铝纳米棒的前驱体也就生成氧化铝纳米棒。具体的化学反应式如下：
Figure BDA00002663443200051
在优选实施例中，上述的热处理温度为600℃。该优选的热处理温度能有效提高氧化铝纳米棒的纯度。同时为了使得该碱式碳酸铝铵沉淀均匀受热，降低最终氧化铝纳米棒破裂等不利现象的发生，在优选实施例中，该热处理温度是以5～15℃/min的升温速率将温度升至该热处理温度，更优选为10℃/min的升温速率。
由上所述氧化铝纳米棒制备方法采用铝酸钠水溶液为铝源，碳酸氢铵为沉淀剂，在W/O/W乳液体系中成功制备出了氧化铝纳米棒，通过乳液液滴来控制形貌、尺寸和分散性，或利用水热提高产品的结晶度和纯度。在制备该氧化铝纳米棒的过程中，能灵活通过反应物浓度的调整，实现对氧化铝纳米棒的尺寸控制。其制备方法工艺简单，条件易控，对设备要求，适合于科学实验和批量生产。
相应地，本发明实施例还提供了一种由上述氧化铝纳米棒制备方法制备而成的氧化铝纳米棒，氧化铝纳米棒长为80～200nm,直径为15～30nm。这样由上述方法制备的氧化铝纳米棒尺寸稳定，纯度高，分散性好，从而有效扩大了该氧化铝纳米棒的应用范围。如可以用于重油大分子的催化裂解、多相催化、化工新型反应器、石化工程中的吸附分离以及固载酶转化、汽车尾气处理中的载体以及药物输送的载体等方面。
以下通过多个实施例来举例说明上述氧化铝纳米棒及其制备方法等方面。
实施例1
一种氧化铝纳米棒及其制备方法。该制备方法具体如下：
（1）将0.5g Span80加入18mL 1.0mol/L的铝酸钠溶液中，再加入36mL煤油，用高速乳化机在10000rpm/min的转速下乳化至少1min，制备成混合乳液；
（2）将步骤（1）制备的混合乳液在室温条件下加入事先配制好的0.94mol/L的NH4HCO3溶液中，在500rpm/min转速下继续搅拌3h。待反应完全后，产物用去离子水和无水乙醇反复洗涤4次，最后在60℃的干燥箱中烘干12小时，即得到白色沉淀产物；
（3）把步骤（2）制备的白色沉淀产物装在瓷坩埚中直接在马弗炉中以10℃/min的升温速率加热至600℃，加热5小时，把所制备的样品在空气中自然冷却至室温，即得到氧化铝纳米棒。
实施例2
一种氧化铝纳米棒及其制备方法。该制备方法具体如下：
（1）参照实施例1的步骤（1）进行；
（2）将步骤（1）制备的混合乳液加入事先配制好的0.94mol/L的NH4HCO3溶液中搅拌30min后倒入衬有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，120℃加热12h，待反应完全后，产物用去离子水和无水乙醇反复洗涤4次，最后在60℃的干燥箱中烘干12小时，即得到白色沉淀产物；
（3）把步骤（2）制备的白色沉淀产物装在瓷坩埚中直接在马弗炉中以15℃/min的升温速率加热至600℃，加热5小时，把所制备的样品在空气中自然冷却至室温，即得到氧化铝纳米棒。
实施例3
一种氧化铝纳米棒及其制备方法。该制备方法具体如下：
（1）将0.5g Span80加入20mL 1.0mol/L的铝酸钠溶液中，再加入40mL煤油，用高速乳化机在10000rpm/min的转速下乳化至少1min，制备成混合乳液；
（2）将步骤（1）制备的混合乳液在室温条件下加入事先配制好的0.92mol/L的NH4HCO3溶液中，在500rpm/min转速下继续搅拌3h。待反应完全后，产物用去离子水和无水乙醇反复洗涤4次，最后在60℃的干燥箱中烘干12小时，即得到白色沉淀产物；
（3）把步骤（2）制备的白色沉淀产物装在瓷坩埚中直接在马弗炉中以5℃/min的升温速率加热至650℃，加热4小时，把所制备的样品在空气中自然冷却至室温，即得到氧化铝纳米棒，其SET图与图3类似。
形貌观察：
将实施例1、2分别制备的氧化铝纳米棒产物用日产JSM-6700F冷场发射扫描电子显微镜观察粒子的表面形貌。实施例1制备的氧化铝纳米棒产物的SEM图如图2所示；实施例2制备的氧化铝纳米棒产物的SEM图如图3所示。由图2、3可看出，在制备碱式碳酸铝铵沉淀的步骤中，采用水热处理后，最终制备的氧化铝纳米棒的尺寸长度达到200nm，明显大于以在自然条件下制备碱式碳酸铝铵沉淀所制备的氧化铝纳米棒的尺寸。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧化铝纳米棒制备方法，包括如下步骤：
将乳化剂、煤油、铝酸钠水溶液混合后进行乳化处理，配制混合乳液；其中，所述乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：30～40mL：2.0～2.4g；
将所述混合乳液中加入浓度为0.8～1.2mol/L的碳酸氢铵水溶液中在15～25℃下进行沉淀反应或者将所述混合乳液中加入浓度为0.92～0.96mol/L的碳酸氢铵水溶液混合后置于100～120℃下进行水热反应，待反应完毕后进行固液分析，洗涤、干燥沉淀，得到碱式碳酸铝铵沉淀；
将所述碱式碳酸铝铵沉淀在550～650℃下进行热处理，得到所述氧化铝纳米棒。
2.如权利要求1所述的氧化铝纳米棒制备方法，其特征在于：在所述配制混合乳液的步骤中，所述乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：30～40mL：2.0～2.4g。
3.如权利要求1所述的氧化铝纳米棒制备方法，其特征在于：在所述配制混合乳液的步骤中，所述乳化剂、煤油、铝酸钠三者用量比为0.5g：36mL：2.2g。
4.如权利要求1所述的氧化铝纳米棒制备方法，其特征在于：在所述配制混合乳液的步骤中，所述乳化处理是将乳化剂、煤油、铝酸钠水溶液混合后在9000～11000rpm/min下乳化处理1min以上。
5.如权利要求1～4任一项所述的氧化铝纳米棒制备方法，其特征在于：在所述配制混合乳液的步骤中，所述煤油为航天煤油。
6.如权利要求1～4任一项所述的氧化铝纳米棒制备方法，其特征在于：在所述配制混合乳液的步骤中，所述乳化剂为Span 80。
7.如权利要求1所述的氧化铝纳米棒制备方法，其特征在于：在所述沉淀反应的步骤中，所述沉淀反应的时间为30分钟～12小时。
8.如权利要求1所述的氧化铝纳米棒制备方法，其特征在于：在所述沉淀反应的步骤中，所述碳酸氢铵水溶液的浓度为0.92～0.96mol/L。
9.如权利要求1所述的氧化铝纳米棒制备方法，其特征在于：在所述热处理的步骤中，对所述碱式碳酸铝铵沉淀热处理是以5～15℃/min的升温速率将温度升至所述热处理温度。
10.一种氧化铝纳米棒，其特征在于：所述氧化铝纳米棒由所述权利要求1～8任一项氧化铝纳米棒制备方法而成，所述氧化铝纳米棒长为80～200nm，宽为15～30nm。
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