淺論納米氧化鋁的制備及其發(fā)展應(yīng)用

聶多發(fā)

(池州學(xué)院，安徽 池州 247100)

納米材料是近代21世紀(jì)科學(xué)研究新型材料的重要板塊之一。與普通的金屬鋁相比較而言，納米氧化鋁具備著耐高溫，耐腐蝕，硬度強等等優(yōu)良特質(zhì)。納米氧化鋁其直徑微小，比表面積大，且催化效率奇高，和普通金屬材料相較具有獨特的物理或化學(xué)性質(zhì)。比如，我們一般的陶瓷材料是用普通脆性材料做的，易碎，如果加入納米材料，那它的韌性和硬度就會增強很多。如今我們常用的精密陶瓷刀具就添加了納米元素。而其比表面積大這一優(yōu)點使納米氧化鋁在化工領(lǐng)域經(jīng)常被用來當(dāng)催化劑，納米氧化鋁催化劑在反應(yīng)中的選擇性和催化活性都遠遠超過我們過往所使用的傳統(tǒng)催化劑。

不得不說納米氧化鋁所具備的奇特納米效應(yīng)給我國工業(yè)，環(huán)境，資源，經(jīng)濟，能源和信息等諸多領(lǐng)域帶來了不可估量的機遇和挑戰(zhàn)。納米氧化鋁具有極大的潛力，其對未來工業(yè)優(yōu)異迅猛發(fā)展具有非常重要的意義。本文簡單的綜述了納米氧化鋁制備方法及其優(yōu)缺點。

1 制備方法

本文將納米氧化鋁制備方法分為三大類，分別是固相制備法、液相制備法、氣相制備法這三類。其中納米氧化鋁液相制備法是在實驗室及工業(yè)生產(chǎn)中最為常見的制備方法。表1是本文敘述的幾種納米氧化鋁的制備方法。

表 1 幾種常見納米氧化鋁制備方法

1.1 液相法

液相法也叫做軟化學(xué)法，被廣泛地應(yīng)用在各個科學(xué)工業(yè)研究中，是目前制備納米氧化鋁材料最為有效的生產(chǎn)方法之一。

納米氧化鋁液相法：首先要選擇一種或者多種可溶性鋁鹽(如氯化鋁，硫酸鋁)按照化學(xué)成份計量將它配成一定濃度的鋁鹽溶液，主要目的是使得Al元素呈離子狀態(tài)，另外再選擇一種最為合適的沉淀劑或者也可以通過水解，蒸發(fā)，升華等等處理方法將金屬離子Al沉淀結(jié)晶出來，最后，將所得的結(jié)晶產(chǎn)物經(jīng)過脫水和加熱，干燥等一系列工藝操作最終得到超微小粉末(也就是納米氧化鋁)。所以，我們大都根據(jù)金屬離子沉淀出來的方法不同，將液相法又分為溶膠凝膠法，沉淀法，溶劑蒸發(fā)法和電化學(xué)法等諸多方法。

1.1.1 溶膠凝膠法

溶膠凝膠法早在二十世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)出現(xiàn)并發(fā)展起來，其原理是鋁鹽溶液在水解后又聚合形成氫氧化鋁膠體，(使鋁鹽溶液溶膠-凝膠的過程)，氫氧化鋁膠體再通過濃縮，抽真空等的條件下進行低溫干燥得到超細小粉末(氫氧化鋁)，最后在不同的高溫度條件下進行煅燒工藝就可得到各種不同晶型的目標(biāo)產(chǎn)物納米氧化鋁晶體。此法鋁鹽溶液在溶膠-凝膠過程中容易發(fā)生團聚現(xiàn)象需要后續(xù)處理。

1.1.2 沉淀法

沉淀法是在鋁鹽溶液中加入適當(dāng)?shù)某恋韯?，使三價鋁離子變成其他形式狀態(tài)的沉淀，然后，通過過濾，洗滌，干燥，再加熱分解沉淀物等一系列操作最終得到所要的目標(biāo)產(chǎn)物—納米氧化鋁。沉淀法操作簡單，可控制性高，但需要選擇沉淀劑。

1.1.3 水熱法

水熱法是指在高溫高壓條件下，通過對反應(yīng)釜加熱使不容或者難容的樣品溶解并重結(jié)晶，再經(jīng)過過濾，干燥，煅燒研磨等一系列工藝最終得到超細氧化鋁粉末。水熱法跟溶膠凝膠法相比，水熱法省去了氫氧化鋁轉(zhuǎn)化成氧化鋁這個步驟，從而降低了粉末團聚效應(yīng)。

1.1.4 電化學(xué)法

電化學(xué)制備法：先將樣品放在理想的容器中，利用電場作用產(chǎn)生一連串化學(xué)反應(yīng)，最后生成氧化鋁前驅(qū)體在不同的溫度條件下煅燒能得到各種晶型的納米氧化鋁。電化學(xué)法條件比較容易控制，產(chǎn)率高，操作也比較簡單方便。

所以總的來說常用的液相法所得到的目標(biāo)產(chǎn)物納米氧化鋁純度高，顆粒的粒度較均勻且粒徑微小，穩(wěn)定性高并且沒有雜質(zhì)能夠準(zhǔn)確地控制其化學(xué)組成。

1.2 固相法

固相法是將金屬鋁鹽(如三氯化鋁)或金屬鋁按照一定比例進行加熱分解、研磨、再高溫煅燒，經(jīng)過固相反應(yīng)后最終制備出目標(biāo)產(chǎn)物納米氧化鋁。此法操作簡單，成本低廉且生產(chǎn)量大，與其他方法相比更容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。納米氧化鋁固相制備法又被研究人員分為機械粉碎法、非晶晶化法和噴霧熱解法等。

1.2.1 機械研磨法

機械研磨法也屬于物理法，是一種粉體或者固體顆粒加工單元操作，主要是用高能的粉碎設(shè)備通過機械力或其他的作用力將反應(yīng)物不斷重復(fù)切割成粒徑微小的顆粒。此法所得到的產(chǎn)品含雜質(zhì)較多且顆粒大小不均勻，操作人員易吸入大量粉塵對身體造成一定的傷害。并且使用這種方法所得到的產(chǎn)品材料通常直徑都比較大。但機械研磨法制造納米氧化鋁過程中沒有廢氣或廢渣產(chǎn)生，不污染環(huán)境.綠色環(huán)保，隨著未來高能粉碎設(shè)備的研究與發(fā)展，此法未來很可能能夠有效替代部分化學(xué)制備法。

1.2.2 非晶晶化法

納米氧化鋁非晶晶化法指對于非晶態(tài)的化合態(tài)的鋁進行一個退火處理使其晶化穩(wěn)定，控制反應(yīng)條件即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。通常實驗中會使用硫酸鋁銨熱解去得到產(chǎn)物納米氧化鋁，但在反應(yīng)的過程中產(chǎn)生了二氧化硫等有害氣體污染環(huán)境，若對尾氣處理不當(dāng)也會對設(shè)備造成一定程度的腐蝕甚至氣體中毒危害人體健康。

1.2.3 噴霧熱解法

噴霧熱解法是指在高溫環(huán)境下將鋁鹽以霧狀噴出，水分迅速蒸發(fā)，鋁鹽發(fā)生熱分解即生成納米氧化鋁。此法操作簡單，但需要的反應(yīng)設(shè)備條件要求較高，成本費用高不利于投入工業(yè)化大量生產(chǎn)。綜上所述，固相法所得產(chǎn)品經(jīng)度相比較其他方法，其納米氧化鋁材料顆粒直徑大，且容易反應(yīng)氧化變形或者形成粉末團聚。在我們實際應(yīng)用中，通常去改變干燥方法，或者改變洗滌等工藝條件，以及使用超聲波都可有效降低或者預(yù)防反應(yīng)中的粉末團聚現(xiàn)象。

1.3 氣相法

氣相法是將氧化鋁或鋁鹽通過某種途徑(如使用激光蒸發(fā)、電弧加熱、電子束加熱或者利用特殊氣體等方法)使它呈氣體狀態(tài)，在氣態(tài)狀態(tài)下，經(jīng)過一系列物理或者化學(xué)反應(yīng)，最終在冷卻過程中生成納米氧化鋁超細粉末。氣相法包括火焰水解法和蒸發(fā)冷凝法這兩種方法。

1.3.1 火焰水解法

火焰水解法是鋁鹽在氫、氧火焰中發(fā)生了水解反應(yīng)，析出目標(biāo)產(chǎn)物納米氧化鋁。此法又被稱為化學(xué)氣相水解法或火成法。火成法操作簡單，但產(chǎn)品生產(chǎn)率低。

1.3.2 蒸發(fā)冷凝法

所謂的蒸發(fā)冷凝法是指氧化鋁或鋁鹽在電弧加熱的作用下汽化，經(jīng)過反應(yīng)后在惰性氣體或氮氣中冷卻，最后得到產(chǎn)物微小粉末。利用氧化鋁臨界反應(yīng)溫度的規(guī)律，納米材料精制，但粉末難收集，設(shè)備要求苛刻。

從生產(chǎn)過程中可看出氣相制備法對反應(yīng)條件和設(shè)備操作的要求都很高，并且反應(yīng)過程中需要大量惰性氣體，成本高所以不適合投入于大批次生產(chǎn)。

2 納米氧化鋁的未來發(fā)展

納米材料作為一種新型廉價優(yōu)質(zhì)材料一直廣受化工界關(guān)注。納米氧化鋁具有高硬度，高強度，耐腐蝕，抗高溫氧化性以及催化等特質(zhì)，在復(fù)合材料、精密陶瓷、電子、催化甚至醫(yī)學(xué)方面都是不可或缺的材料資源，但我國納米氧化鋁目前制備方法還存在著一定的污染和局限性，其在各個方面的廣闊應(yīng)用和發(fā)展前景也決定了研究者們對納米材料的制備方法還需要進一步探索，去不斷完善改良其生產(chǎn)過程，提高我們需要的生產(chǎn)效率并建設(shè)合理綠色化學(xué)，推動經(jīng)濟發(fā)展。