納米γ-Al2O3在工業(yè)設計中的應用研究

馮 穎

（華南理工大學， 廣東 廣州 510800）

納米γ-Al2O3在工業(yè)設計中的應用研究

馮 穎

（華南理工大學， 廣東 廣州 510800）

γ-Al2O3是眾多氧化鋁中的一種，具有一系列顯著特點，如多孔性、大比表面積、活性高、熱穩(wěn)定性好等。因此常被用作吸附劑、催化劑及催化劑載體，在石油化工、環(huán)保等領域有著極為廣泛的應用。在工業(yè)設計中，由于其不同的物性表征，常被在不同的設計產(chǎn)品中廣泛的應用。以硝酸鋁和甘氨酸作為原料，采用低溫燃燒合成法合成了納米γ-Al2O3。利用XRD、透視電鏡(TEM)測試方法進行了分析表征，考察了溶液的pH值、反應物的摩爾配比、煅燒溫度、煅燒時間對反應產(chǎn)物的形成、粒徑、晶型轉變和形貌等方面的影響。通過實驗得出相關數(shù)據(jù)，希望在工業(yè)設計中得到廣泛的相關應用。

納米γ-Al2O3; 低溫燃燒合成法; 環(huán)保材料

1 新型材料介紹

近年來，經(jīng)濟、工業(yè)的快速發(fā)展引發(fā)一系列環(huán)境問題。污水、工業(yè)廢氣、廢水及汽車尾氣等的排放嚴重影響了我們周圍的環(huán)境。污水中一般含有的貴金屬、懸浮物、有機污染物等，工業(yè)廢氣中排放的 SOX、NOX，以及汽車尾氣等污染問題一直沒有得到很好的解決。納米技術的發(fā)展和應用給環(huán)境保護帶來了突破性進展，有可能徹底解決環(huán)境污染問題。如納米材料應用于污水中貴金屬的提煉，既能減少貴金屬對環(huán)境的污染，又可以回收再利用，可謂是一舉兩得；納米材料具有很大的表面積，將納米材料應用于凈水劑，得到納米級凈水劑，其吸附能力更強，去污能力更好。

AlCl3作為普通凈水劑，其吸附能力較弱，而此類新型納米級凈水劑的吸附容量是它的 10～20倍；工業(yè)生產(chǎn)排放的 CO、SO2等有害氣體造成大氣污染，嚴重危及人類健康。若在工業(yè)生產(chǎn)的同時加入一種納米級別的助燒催化劑，不但能夠使生產(chǎn)充分進行，能源得到最大利用，而且還可以使二氧化硫有害氣體被轉化成有利用價值的固態(tài)硫化物，從而減少有害氣體的產(chǎn)生[1]；目前，機動車尾氣的排放也對大氣造成了嚴重污染，碳納米材料具有高儲氫能力，可以將其做成燃料電池驅(qū)動汽車，從而極大地減少尾氣排放量，降低對空氣的污染程度[2]；納米 TiO2是一種極其重要的光催化劑，具有活性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。納米TiO2能夠有效去除廢水及空氣中的污染物，環(huán)境污染治理方面發(fā)揮著越來越大的作用，是目前公認的光催化反應最好的催化劑。

陶瓷材料屬于材料的三大支柱之一，在很多領域有著極為廣泛的應用。但是傳統(tǒng)陶瓷材料存在一些缺點，如脆性大、均勻性不好、韌性強度不高等，這些缺點使其在一些特殊領域得不到很好的應用。將納米技術應用于傳統(tǒng)陶瓷材料后，能夠極大地改善傳統(tǒng)陶瓷材料的應用性能，其突出的特點表現(xiàn)為高硬度、低溫超塑性、高韌性、耐高溫等[3]。

納米材料應用于傳統(tǒng)涂料，能夠極大地改善涂料的質(zhì)量，使其耐光性、耐老化性能、耐候性等性質(zhì)更突出，用途更廣泛。如在涂料中添加納米SiO2之后，其抗老化的能力將得到增強；用納米 TiO2制造出的新一代抗菌防污涂料，具有很多的優(yōu)點：能夠殺死細菌、去除臭味、防止污染、自身清潔等。這種防污涂料被廣泛應用于家庭住所、公共場所等內(nèi)部墻壁涂飾[4]；將納米 SiO2、TiO2等應用于汽車面漆、外墻建筑涂料，能夠提高現(xiàn)有涂料的耐候性。

納米材料除了在催化、環(huán)保、陶瓷、涂料等領域外，還能夠被應用于其他領域發(fā)揮其獨特的作用。如食品領域、信息科技領域、新能源領域、醫(yī)療領域、建筑領域等。納米材料將會有非常廣闊的發(fā)展前景。

2 納米γ-Al2O3的應用

納米γ-Al2O3具有大比表面積、多孔結構、表面吸附性能特別強、熱穩(wěn)定性好，這些獨特優(yōu)點使得納米γ-Al2O3近年來被廣泛被用作催化劑載體、吸附劑以及催化劑。

2.1 納米γ-Al2O3在催化劑載體方面的應用

納米γ-Al2O3具有高比表面積、表面吸附性能特別強，在催化劑工業(yè)中被大量用作負載活性組分的傳統(tǒng)載體。其對催化劑的活性及選擇性有重要影響，被廣泛用于石油化工催化、汽車尾氣凈化、工業(yè)廢氣還原等方面。

在石油化工中，納米γ-Al2O3載體占催化劑載體用量的絕大部分，比其他催化劑載體總量還略多些。由此可見，在催化劑載體中有著舉足輕重的地位[5]。石油中的硫、氮以及氧等雜質(zhì)會降低油品的質(zhì)量并會對環(huán)境造成污染。這些雜質(zhì)通過加氫精制能夠被脫除出去，而在加氫精制過程中催化劑是必不可少的部分。除此之外作為催化劑載體在石油加氫裂化、加氫重整、脫氫反應等化工反應領域也 得到廣泛的應用。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展以及汽車飽有量的大幅遞增，汽車排放的尾氣帶來了嚴重的環(huán)境污染，因此控制汽車排放污染迫在眉睫。尾氣凈化器的工作原理是：汽車排放出的有害物質(zhì)被吸附在催化劑表面上，然后進行反應，轉換成無害的氣體，這樣在一定程度上抑制了有害氣體對大氣環(huán)境的污染。由于活性氧化鋁具有多孔性和很強的吸附性等優(yōu)點，能夠很好地被應用于汽車尾氣凈化。尾氣凈化器最重要的部分是催化劑，一般由三部分組成:高比表面的載體，催化活性組分和助催化劑。有適宜的孔結構，常常作為催化劑載體，負載貴金屬或非貴金屬催化活性組分。催化劑的活性好壞也取決于負載活性組分的納米γ-Al2O3載體。

周洪柱等以復合稀土氧化物的為催化劑載體，將負載鈀的超微粒子金屬鐵、鈷、鎳與γ-Al2O3粉體混合成型煅燒制成的催化劑對汽車尾氣具有良好的催化轉化作用。結果表明，Pt-Co/γ-Al2O3催化劑通過氧化作用，將柴油車尾氣中的有害物質(zhì)CO氧化生成CO2、HC氧化成H2O、NO還原成NO2，而且效果特別明顯。煙氣和發(fā)動機尾氣排放的SOx是自然界中具有危害的氣體，它是形成酸雨的主要原因。酸雨具有很強的危害性，如腐蝕建筑物、破壞生態(tài)系統(tǒng)及危害人類的健康，控制與減少SOx的排放已成為迫切需要解決的環(huán)保問題。

2.2 納米γ-Al2O3在吸附劑方面的應用

納米γ-Al2O3具有多孔性、高的比表面積，粒度均勻等特點，因此可以加工成為吸附能力極強的吸附劑。例如，納米γ-Al2O3可以與廢水中的雜質(zhì)如貴金屬等充分地接觸，可將這些雜質(zhì)最大限度地吸附在它的表面以將雜質(zhì)去除干凈。貴金屬在污水中，不但會流失造成浪費，而且對人體的也有危害，將其提煉出來，變廢為寶，一舉兩得。

納米γ-Al2O3在日常生活中也有著廣泛的應用。對人體的健康很重要，當人體缺乏氟時，易患斑齒病，相反則可患氟骨病，因此，需要將飲用水中過多含量的氟除去，保證氟含量在適度的范圍內(nèi)。納米γ-Al2O3能夠選擇性地吸附氟，而且還可以循環(huán)利用。到目前為止，納米γ-Al2O3吸附除氟被認為是一種非常有效的方法，取得了很好的效果。

另外在飲水除氟劑及其它環(huán)保凈化吸附劑等方面也實現(xiàn)了很好的吸附效果。水體中氮磷的富營養(yǎng)化日益嚴重，因此有效地將氮磷濃度控制在一定的范圍內(nèi)是迫切需要解決的問題。李艷君等研究了活性氧化鋁對磷的吸附性能。

研究結果表明，γ-Al2O3能夠較好地吸附水中磷，從而有效地降低水體的富營養(yǎng)化。化工制藥行業(yè)日益繁榮，但隨之產(chǎn)生的污染物對環(huán)境也造成了一定的破壞。γ-Al2O3能夠很好地吸附這些環(huán)境污染物，使其含量降低到最低值，減少對環(huán)境的污染程度。結果表明，γ-Al2O3及改性γ-Al2O3有較好的吸附能力，能夠很好地應用于廢水處理及污染環(huán)境的修復。

張蕾等研究探討了納米γ-Al2O3吸附劑Ge(Ⅳ)的吸附行為，結果表明，γ-Al2O3對鍺具有較好的吸附性能，而且操作簡單、方便。

2.3 納米γ-Al2O3在催化劑方面的應用

γ-Al2O3表面具有良好的酸-堿性，因此本身就是一種極好的催化劑。在石油煉廠中，γ-Al2O3的主要用途是除去各種過程中的不良組分，保護煉油廠的設備，提高產(chǎn)品質(zhì)量，這也是γ-Al2O3催化劑的最大用途。在烴類裂化，醇類脫水制烯和醚、脫除等反應中可將其作為活性催化劑加入反應體系中[10]。乙醇在γ-Al2O3催化劑存在下發(fā)生的脫水反應，260 ℃下主要生成乙醚，300 ℃以上生成乙烯。但是目前，γ-Al2O3作為催化劑直接用于工業(yè)生產(chǎn)的例子還不多。

3 實驗部分

3.1 納米γ-Al2O3粒子尺寸的表征

當氧化劑硝酸鋁與甘氨酸摩爾配比為3∶5，溶液的pH值為2、煅燒溫度750 ℃、煅燒時間為4 h，在這種條件下制備出的納米γ-Al2O3粉體銅干過對其進行X射線衍， 通過樣品XRD圖譜與標準JCPDS-ICDD卡片（No10．0425)比較可以看出，圖中2θ在19.43°、31.92°、37.62°、39.46°、45.85°、60.87°、67.03°處的衍射峰是標準γ-Al2O3的衍射峰，沒有出現(xiàn)其它相的衍射峰。這就說明實驗得到的產(chǎn)物是γ-Al2O3。而樣品中晶粒的平均粒徑可以通過謝樂公式計算。謝樂公式為：

式中：D —晶粒尺寸；

K —謝樂常數(shù)，值為0.89；

λ —X射線波長，對于CuKα是0.154 2 nm；

β —衍射峰半高寬；

θ —衍射角。

對γ-Al2O3進行TEM表征，如圖1所示。通過觀察我們可以看出：納米γ-Al2O3的平均粒徑在10 nm左右與XRD分析的結果相近，只是有部分團聚。

圖1 納米γ-Al2O3的TEM圖Fig.1 TEM image of nano γ-Al2O3

3.2 性能分析

3.2.1 γ-Al2O3的表面效應

γ-Al2O3的顆粒大小對其性質(zhì)有著深遠的影響。材料最外層原子數(shù)與原子總數(shù)會隨著γ-Al2O3粒徑的增大而迅速減小。而隨著γ-Al2O3外層原子數(shù)量增多，γ-Al2O3的表面能會快速增大，使得位于表面的原子異?；钴S，并容易與其他原子相結合。因此大多數(shù)的活躍原子就會變成穩(wěn)定原子，從而使其活性增加，進而使表面性能得到改善。

3.2.2 γ-Al2O3的小尺寸效應

γ-Al2O3粒子屬于超細粒子，當其的尺寸小于等于光波波長和德布羅意波長時，γ-Al2O3粒子周期性的邊界條件就會受到影響，這樣就會使γ -Al2O3粒子表面的原子密度減少。相對普通粒子來說，γ-Al2O3粒子發(fā)生了極大的宏觀物理性質(zhì)的變化，這種現(xiàn)象稱為小尺寸效應。隨著粒子的尺寸減少，γ-Al2O3粒子的比表面積會隨之增加，從而在許多方面產(chǎn)生特別的性質(zhì)。

3.2.3 γ-Al2O3的量子尺寸效應

γ-Al2O3的量子尺寸效應是指γ-Al2O3粒子費米能級周圍連續(xù)的電子能級隨著粒子尺寸下降而達到穩(wěn)定時，連續(xù)電子能級變得不連續(xù)，γ-Al2O3粒子會表現(xiàn)出許多特性，在宏觀物質(zhì)中這些特征是不會出現(xiàn)的。

3.3.4 γ-Al2O3的宏觀量子隧道效應

在半導體物理的大環(huán)境下去觀察微觀粒子，當微觀粒子的總能量達不到勢壘高度時，這一勢壘仍然能被微觀粒子所貫穿的能力通常被稱之為隧道效應。γ-Al2O3納米粒子的磁化強度同樣也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產(chǎn)生變化，這被稱為γ-Al2O3納米粒子的宏觀量子隧道效應。

4 結 語

本文通過對γ-Al2O3納米粒子材料的研究來闡述新型環(huán)保材料在工業(yè)設計中的應用，γ-Al2O3納米粒子材料作為一種新型環(huán)保材料有它自身的性質(zhì)和特征，通過對其作為催化劑載體、吸附劑以及催化劑等應用，我們可以看出新型環(huán)保材料無時無刻在我們生活中出現(xiàn)，而通過對其表面特征的敘述我們可以詳盡的了解其性能，從而更好地應用到工業(yè)設計之中。因此新型環(huán)保材料的出現(xiàn)為工業(yè)生產(chǎn)輸送了新血液。

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Application Research of Nanoγ-Al2O3in Industrial Design

FENG Ying
（South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510800，China）

γ-Al2O3has a series of distinctive features, such as porosity, large specific surface area, high activity, good thermal stability, and so on. So it is often used as adsorbent, catalyst and catalyst carrier, and has been widely applied in petroleum chemical industry, environmental protection and other fields. In industrial design, due to its different physical property characterization, γ-Al2O3is widely used in design of different products. In this paper, using aluminum nitrate and glycine as raw materials, nanoγ-Al2O3was synthesized by low temperature combustion method. Then it was characterized by XRD and X-ray electron microscopy (TEM).At last, effects of solution pH, molar ratio of reactants, calcining temperature, calcining time on formation, particle size and crystal transformation and morphology of the product were investigated.

Nanoγ-Al2O3; Low-temperature combustion synthesis; Environmental protection material

TQ 133

A

1671-0460（2014）11-2447-03

2014-07-24

馮穎（1979-），女，湖南衡陽人，講師，碩士學位，研究方向：工業(yè)產(chǎn)品造型設計、產(chǎn)品設計、人機交互、計算機輔助設計等。