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(qiáng)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(dú)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(qiáng)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(diǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)，能源和信息等諸多領(lǐng)域帶來了不可估量的機(jī)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(diǎn)。

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(shí)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(jìn)行低溫干燥得到超細(xì)小粉末(氫氧化鋁)，最后在不同的高溫度條件下進(jìn)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(tuán)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(xì)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(tuán)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(jìn)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(shí)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(jī)械粉碎法、非晶晶化法和噴霧熱解法等。

1.2.1 機(jī)械研磨法

機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(shí)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(fèi)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(tuán)聚。在我們實(shí)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(tuán)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(xì)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?dú)庵欣鋮s，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(qiáng)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(jìn)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(jì)發(fā)展。